Aktuell gibt es gut ein Dutzend großer Hersteller von Steuerungssystemen, die mit ihren Produkten im Markt konkurrieren. Doch nicht immer ist das bereits bekannte System auch das Beste, denn fehlende Flexibilität wird mitunter durch zusätzliche Produkte oder mehr Leistung ausgeglichen. Das wiederum führt zu höheren Kosten oder gar zu einer Fehlplanung, die sich aber meist erst im Nachhinein als solche herausstellt.

Bei der Suche nach alternativen Lösungen sind diverse Randbedingungen zu beachten, die zum einen von den Maschinen- und Anlagentypen und zum anderen vom Endkunden selbst vorgegeben werden. Diese reichen von den zu erfassenden Signalen über das Feldbus-System bis zur Integration in ein Leitsystem. Ist der Hersteller oder das Feldbus-System durch den Endkunden vorgegeben, dezimiert sich bereits die Auswahl. Auch die Forderung nach hartem Echtzeit-Verhalten schränkt die Möglichkeiten ein. Ist zudem eine Steuerung mit Master-Funktionalität gefragt, bleiben häufig nur noch wenige Hersteller übrig. Liegt das Feldbus-System jedoch nicht fest, gilt es zunächst die Schnittstellen und Signale zu betrachten, die für die Automatisierungslösung erforderlich sind. Mit Blick auf das Thema Investitionssicherheit ist darüber hinaus die spätere Erweiterbarkeit ein wichtiges Auswahlkriterium.

Seit Ende der 90-Jahre werden Feldbus-Systeme in der IEC 61158 weltweit standardisiert. Diese Standards bringen für den Anwender einerseits Vielfalt und Flexibilität, andererseits aber auch die Qual der Wahl: Soll man auf Klassiker wie Profibus, Interbus, Modbus, CANopen und Devicenet setzen oder auf die schnellen, Ethernet-basierten Systeme wie Profinet, Ethernet/IP, Ethercat oder Sercos? Nimmt man lieber einen Generalisten wie Modbus/TCP oder doch applikationsspezifische Feldbusse, wie die in der Gebäudeautomation verbreiteten Bussysteme Bacnet, KNX IP und LON? Für eine ethernet­basierte Kommunikation spricht insbesondere, dass diese im Vergleich zu den traditionellen Feldbussen einfacher vertikal integrierbar ist. Damit lassen sich relevante Daten auch übergeordneten ERP- oder MES-Systemen direkt zur Verfügung stellen.

Um dem Anwender ein Höchstmaß an Flexibilität zu bieten, haben einige Hersteller modulare und Feldbus-unabhängige Automatisierungssysteme entwickelt. Hierzu zählt beispielsweise das Wago-I/O-System 750. Anfangs als reines Remote-I/O-System ausgelegt, ist daraus über die Jahre ein kompaktes und modulares System entstanden, das eine Vielzahl gängiger Feldbusse unterstützt. Die damit realisierbaren, dezentralen Steuerungen lassen sich einerseits einfach untereinander vernetzen; andererseits können sie auch als Gateway fungieren, indem sie einen Übergang zu anderen Feldbus-Systemen schaffen. Da die zentrale Komponente des Systems – ein Controller oder ein leistungsstarker I/O-IPC – steckbar mit den I/O-Busklemmen verbunden wird, lässt sie sich austauschen, ohne die Busklemmen umverdrahten zu müssen.

Wieviele E/As sind notwendig – und welche?

Ob Maschine oder Anlage, verfahrenstechnischer Prozess oder Gebäude – jede Anwendung hat andere Signale zu berücksichtigen. Entsprechend unterschiedliche E/A benötigt das System. Um sich alle Optionen offen zu halten, sollte der Anwender darauf Wert legen, dass das in Betracht gezogene Steuerungssystem ein möglichst breites Spektrum an E/A-Komponenten integriert: sprich neben verschiedenen digitalen und analogen E/As auch Klemmen für die Sicherheitstechnik sowie Sonderklemmen, die beispielsweise das Hart-Protokoll unterstützen oder als ASi-Master agieren. Nicht zu vergessen sind diverse Systemklemmen, die Signale aus dem Ex-Bereich im gleichen Knoten direkt einbinden, sowie spezielle Klemmen für die Antriebstechnik wie Zähler, SSI-Geber oder Inkremental-Encoder zur Weg- und Winkelmessung sowie Stepper-Controller zur Positionierung. Im Fall des Systems 750 von Wago kann eine einzige Steuerung bis zu 250 anreihbare Busklemmen mit einer Granularität von 1- bis 16-kanalig sowie einer Modulbreite von 12 mm lokal bedienen. Einspeiseklemmen erlauben darüber hinaus die Verwendung unterschiedlicher Potenzialbaugruppen in einem System.

Einfache Programmierung, geringer Systemaufwand

Neben der Hardware spielt die Unterstützung durch Softwaretools und Funktionsbausteine eine immer gewichtigere Rolle. Denn mit der „richtigen“ Software lässt sich der Systemaufwand minimieren, sofern dadurch die Projektierung, Programmierung und Konfiguration einfacher wird. An dieser Stelle stellt sich für den Anwender die Frage: Ist das Know-how zur Programmierung des Automationssystems im Unternehmen vorhanden oder kann die Programmierung vielleicht auch von einem Dienstleister übernommen werden?

Die bekannteste Programmiersprache ist wohl immer noch die Anweisungsliste (AWL) der Step7-Programmierumgebung von Siemens. Daneben verwenden einige Hersteller Hochsprachen oder die Programmierumgebung Codesys von 3S, mit der sich Programme in den fünf Sprachen der IEC 61131-3 erstellen lassen. Um die Programmierung einer SPS zu vereinfachen, sollte der Anwender eine Lösung präferieren, die ihm vorprogrammierte Funktionsbausteine zu gängigen aber auch speziellen Automatisierungsaufgaben zur Verfügung stellt. Ideal ist es, wenn sich dabei verschiedene Funktionsbaustein-Bibliotheken – beispielsweise Kommunikationstreiber zu anderen Steuerungen und Schnittstellen, Technologie-Funktionen, Datenlogger oder auch branchentypische Bibliotheken beispielsweise für Heizungs-, Klima- und Lüftungssteuerung – über das Internet möglichst kostenlos downloaden lassen. Zum einfachen Handling ihrer Steuerungen haben manche Hersteller zudem spezielle Software-Pakete geschnürt – im Fall von Wago etwa das „Automation Cockpit“. Es ist der zentrale Einstiegspunkt zu weiteren Tools, etwa für Ethernet-Settings, für I/O-Check oder auch für I/O-Update.

Nur so viel Leistung, wie nötig

Kleinst-Applikationen mit einer überschaubaren Anzahl von zu verarbeitenden E/A-Signalen und ohne besondere Anforderungen an die Verarbeitungsgeschwindigkeit – zum Beispiel die Überwachung „einer Handvoll“ Messwerte wie Temperaturen oder Füllstände – lassen sich in der Regel mit 16-Bit-CPUs hinreichend schnell bedienen. Sind schnellere Prozesse und komplexere Abläufe mit Regel-Algorithmen zu steuern, ist eine 32-Bit-CPU zu empfehlen, wie sie zum Beispiel in der Ethernet-Steuerung 750-880 mit je 1024 kByte Programm- und Datenspeicher verwendet wird. Diese Steuerung hat zusätzlich ein 2 MByte großes internes Filesystem und ist um eine 8 GByte große SD-Speicherkarte erweiterbar.

Sind jedoch für die Anwendung ein größerer Programmspeicher, weitere Schnittstellen – auch zu anderen Feldbussen – oder die zuvor erwähnte Masterfunktionalität erforderlich, bieten sich Lösungen auf Basis der IPC-Technologie an. Und auch hier gibt es heute robuste und kompakte Lösungen für die DIN-TS35-Schiene, die eine höchst performante SPS-Funktionalität liefern. Beim so genannten I/O-IPC von Wago beispielsweise, der in Verbindung mit Profibus-DP und CANopen als Feldbus-Master einsetzbar ist, lässt sich die Rechenleistung bis zum Pen­tium 1,4 GHz skalieren. Alle I/O-IPCs verwenden das Standard-Betriebssystem Linux 2.6 mit Echtzeit-Erweiterung.

Unabhängig von der gewählten Leistungsklasse empfiehlt es sich, nach einer Lösung mit integriertem Webserver Ausschau zu halten, auf dem sich die Visualisierung speichern lässt und somit über einen gängigen Webbrowser einfach aufrufbar ist. Werden für spezielle Anwendungen kurze Reaktionszeiten gefordert – etwa bei Motion-Control-Anwendungen – sind Steuerungen für Echtzeit-Bussysteme wie Profinet, Ethercat oder Sercos III mit kurzen E/A-Zyklen unerlässlich. Dies ist aber nur bei bestimmten Anwendungen erforderlich und sollte aus wirtschaftlichen Gründen nicht pauschal gefordert werden.

Die Wahl der Bauform

Überwiegend werden Steuerungen heute im Schaltschrank oder in Maschinenunterschränken auf DIN-TS35-Schienen installiert. Hierfür sind Systeme in IP20 völlig ausreichend. In einigen Fällen ist jedoch kein Platz für einen Schaltschrank vorhanden oder es sollen die Leitungswege zu den E/A-Komponenten kurz gehalten werden. Zudem fordern manchmal raue Umgebungen, bei denen Staub und Wasser oder hohe Luftfeuchtigkeit auftreten, ein Automatisierungssystem in einer höheren Schutzart.

Für diese Fälle gibt es mittlerweile Systeme, die in IP67 ausgeführt sind und bei Umgebungstemperaturen von typischerweise –25 bis +60 °C einsetzbar sind. Zu dieser Klasse zählt auch das Speedway-767-System, bei dem sich bis zu 64 E/A-Module pro Station über M12-Steckverbinder mit der Steuerung verbinden lassen. Die Module sind bis zu 50 Meter entfernt voneinander montierbar. Auf diese Weise lässt sich das System bis auf 500 Meter ausdehnen. Weiterer Vorteil: Mit einem solchen Aufbau kann der Montage-Aufwand minimiert werden, da das System schaltschranklos und mit einem geringen Verkabelungsaufwand installiert wird.

Ob eine Steuerung beispielsweise vom Servicepersonal der Anlage bedient und Anlagendaten direkt ausgelesen werden sollen, ist ein weiteres Entscheidungskriterium bei der Steuerungs-Auswahl. In diesen Fällen minimieren Geräte in der Bauart „Control Panel“ den Komponentenaufwand. Die Steuerung ist hierbei in das Bedienpanel integriert, sodass zum Einsehen von Parametern und Messdaten nicht erst ein Service-Laptop angeschlossen oder ein separates Panel installiert werden muss.

Schlussendlich geht es vielfach darum, die Steuerung direkt mit Leitsystemen zu verbinden. Voraussetzung hierfür ist, dass die Steuerung entsprechende Schnittstellen unterstützt. Zum Beispiel die international genormten Fernwirkprotokolle gemäß IEC 60870 und IEC 61850, welche hauptsächlich in der Infrastruktur-Automation zum Einsatz kommen, um beispielweise die Kommunikation zwischen Energie-Erzeugern und Leitstelle zu vereinfachen. Im Hinblick auf die klassischen SCADA-Systeme sollte die Steuerung eine OPC-Schnittstelle bieten und speziell bei Rechenzentren ist die Unterstützung von SNMP hilfreich. Somit kann beispielsweise der Ethernet-Controller von Wago mithilfe des SNMP-Protokolls in EDV-Umgebungen eingebunden werden und – neben der Bedienung der Management Information Base (MIB) und dem Auslösen von Traps – durch eine Programmierung auch dynamische Datenpakete erzeugen, um etwa Verbräuche und Temperaturen zu erfassen.

Anwendungs­beispiel 1

Beispiel Ethernet Steuerung mit Software Reglern

© Wago Kontakttechnik

Die Mix-Abteilung bei Unilever setzt in portablen Temperierern zum Erwärmen oder Kühlen von Schokolade statt einem Hardware-Regler mit Schützen eine neue Ethernet-Steuerung mit Software-Regler ein. Die gleiche Steuerung erfasst auch die Energieverbrauchswerte über I/O-Busklemmen. Alle modernisierten Temperiergeräte sind über Ethernet mit der Leitwarte vernetzt.  

Mit dieser Automatisierungslösung hat das Unternehmen nicht nur eine prozessgesteuerte Regelung im Gerät vor Ort, sondern auch den Energieverbrauch vom Leitstand aus im Blick.

Anwendungsbeispiel 2

Beispiel für IP basiertes Prodokoll IEC 60870 5 104

© Wago Kontakttechnik

Die Firma Carl Zeiss in Jena wählte beim Umbau der Mittelspannungsringe im Industriepark Carl Zeiss das IP-basierte Protokoll IEC 60870-5-104, um die Messwerte an das Leitsystem zu übergeben. Die Anbindung an den Fernwirkkopf des versorgenden Umspannwerks, der Stadtwerke Jena-Pößneck, erfolgt über die serielle Schnittstelle gemäß IEC 60870-5-101. Dies realisierte das Unternehmen mit der Fernwirksteuerung 750-872.

In der Station 2ES2 (im Bild) des ersten Mittelspannungsrings sind mehr als 20 Dreiphasen-Leistungsmessklemmen verbaut, die die Spannungs- und Stromwerte über die Fernwirksteuerung zum Leitsystem übertragen. Zwei Temperaturmessklemmen erfassen zudem die Messwerte von vier Temperaturfühlern. Außerdem werden bis zu 96 Meldungen über ein Dutzend digitaler 8-Kanal-Ausgangsklemmen ausgegeben. Über eine Busverlängerung sind die Klemmen mit der Fernwirksteuerung im Nachbarschrank verbunden. Darüber hinaus ist zur Einbindung der Gebäudeleittechnik eine KNX/TP1-Busklemme an der Fernwirksteuerung installiert.

Anwendungsbeispiel 3

Beispiel Ethernet Controller für Pumpensteuerung

© Wago Kontakttechnik

Um Braunkohle im Tagebau abbauen zu können, muss das Grundwasser zuverlässig durch Abpumpen gesenkt werden. Vattenfall und der beauftrage Automatisierer BEA wählten hierfür einen programmierbaren Ethernet-Controller für die Pumpensteuerung sowie einen I/O-IPC als Datenkonzentrator und Schnittstelle zu einem anderen Feldbus-System im Riegelsteuerschrank.

Die Riegel- und Pumpensteuerungen sind als ein konfigurierbares Software-System ausgelegt, wodurch sich das Anlagen-Engineering sehr vereinfacht. Bei Erstinbetriebnahme oder Anlagen-Änderung infolge Erweiterung oder Rückbau können im System Pumpensteuerungen ergänzt, ersetzt oder entfernt werden, ohne dass programmiert werden muss. Alle Steuerungen, einschließlich IPC, werden über ein einziges Engineering-Tool konfiguriert und haben einen integrierten Web-Server, auf dem geräte- und anwenderspezifische HTML-Seiten abgespeichert werden können. Damit lässt sich jede Steuerung am Client-Terminal mit Hilfe übersichtlicher Bedienoberflächen ohne Spezialkenntnisse über das Netzwerk parametrieren.

Anwendungsbeispiel 4

Beispiel Überwachung Photovolteikpark

© Wago Kontakttechnik

Ein Photovoltaikpark in Nordermeldorf (Schleswig-Holstein) mit 2,4 MW besteht aus 492 Strings mit jeweils 19 PV-Modulen. Für die Überwachung der insgesamt 9348 Module wählte der Anlagenhersteller BEBA Energie Feldbus-Koppler und -Controller aus dem Wago-I/O-System sowie das Control-Panel „Perspecto CP“ mit Target-Visualisierung.

Die Steuerungen nehmen die Daten von beiden zentralen Wechselrichtern mit 1,1 und 1,3 MW auf und die Koppler von allen Strings. Dabei werden jeweils zwei Strings zusammengefasst und durch einen Stromsensor geführt. In den insgesamt 21 Generatoranschaltkästen ist jeweils ein Ethernetkoppler installiert, der über die angereihten I/O-Module die Messwerte des Spannungssensors sowie die Ströme innerhalb eines Schaltkastens erfasst. Alle Koppler sowie das Control-Panel im Wechselrichter-Container sind über ein LAN miteinander verbunden. Die Koppler übertragen die Daten per Modbus-Protokoll an das Control-Panel, wo die Aus­wertung aller Daten erfolgt – sowohl von den Schaltkästen als auch von den Wechselrichtern. Anschließend lassen sich diese auf Knopfdruck am Panel visualisieren.