Hauptschalter aus – die gesamte Produktion steht und in der Halle gehen die Lichter aus. Dies ist in produktionsfreien Zeiten wie an Wochenenden oder während der Werkferien in nahezu jeder Anlage auf der Welt üblich. Was aber geschieht in kürzeren Pausen? Hier läuft die Anlage weiter und verbraucht auch ohne wertschöpfende Tätigkeiten und ohne produktive Ergebnisse Energie. Ergo stellen sich zwangsläufig Fragen wie: Warum die Anlage nicht auch für kürzere Pausenzeiten abschalten?

Oder: Ließen sich nicht auch kleinere, aktuell nicht benötigte Anlagenteile in einen energiesparenden Zustand versetzen, während der Rest der Anlage weiter produziert?

All dies könnte die Energiebilanz einer Produktionseinheit deutlich verbessern. Gerade im Bereich der Automobil-Industrie laufen bereits heute mehrere Modelle über die gleichen Produktionslinien. Auf Schwankungen im Absatz einzelner Modelle könnte folglich mit einem sehr gezielten Abschalten modellspezifischer Anlagenteile bis hinunter zum einzelnen Prozess-Roboter oder gar E/A-Modul mit den angekoppelten Sensoren und Aktoren reagiert werden. Die heutige Technik, Produktionskomponenten über einen oder mehrere „Hauptschalter" vom Versorgungsnetz zu trennen, sprich Fertigungseinheiten differenziert und mit hoher Granularität zu deaktivieren, ist hierfür allerdings nicht geeignet. Fest verdrahtete Schaltpfade für fest definierte Produktionsbereiche sind schlicht zu unflexibel, um den neuen Anforderungen im Hinblick auf Energie- Effizienz gerecht zu werden.

Speziell die deutschen Automobilbauer haben diese Tatsache erkannt und suchen derzeit intensiv nach Konzepten und Lösungen, die Energiebilanz sowohl der bestehenden als auch zukünftiger Werke zu verbessern. Mit dem einhelligen Bekenntnis zur modernen Ethernet-Technik im Bereich der Anlagenkommunikation durch den Einsatz von Profinet IO wurde bereits im November 2004 ein entscheidender Schritt getan: Jede Anlagenkomponente – sei es ein Industrie-Roboter, ein Umrichter, eine Prozess-Steuerung oder ein E/A-Modul – soll gemäß den Vorstellungen der Automatisierungs-Initiative Deutscher Automobilhersteller (AIDA) in Zukunft über eine einheitliche und flächendeckende Kommunikations-Infrastruktur beziehungsweise über ethernetbasierende Protokolle wie Profinet erreichbar sein.

Erstes Grobkonzept zur Infrastruktur

Anlagen im Automobilbau verbrauchen im Stand-by heute noch bis zu 70 % der Energie, die in der Produktivphase benötigt wird – ein enormes Einsparpotenzial!

Über die IP-Adresse und den Gerätenamen lässt sich dann jede Komponente von der übergeordneten Leittechnik oder der Linien-SPS gezielt ansprechen und steuern. Kurzum: Mit der Entscheidung für Profinet sind die Voraussetzungen für ein neues und zukunftsweisendes Energiemanagement geschaffen. Zukunftsweisendes Energiemanagement heißt: Abgeschaltet wird nicht mehr über die herkömmliche und sehr „grobe“ Methode der Hauptschalter- Technik, sondern über das Netzwerk! Das allgemeine Versorgungsnetz der Komponenten bleibt dabei aktiviert und die Komponenten gehen – initiiert von einem „Netzwerk-Befehl“ – in einen definierten Energiesparmodus über.

Dass mit Profinet IO die Infrastruktur für ein ethernetbasierendes Energiemanagement ohne zusätzliche Kosten zur Verfügung steht, ist nur die halbe Miete. Erfolgreich umsetzbar ist ein solches Konzept nur dann, wenn über die Infrastruktur hinaus allgemeingültige und standardisierte Methoden und Kommunikationsprotokolle definiert werden. Ergo hat die Profibus Nutzerorganisation (PNO) für Profinet IO ein erstes Grobkonzept erarbeitet, das folgende Fakten und Methoden beschreibt:

• Festlegung und Beschreibung der Energie- Effizienz-Modi sowie der Zustände einer Komponente im jeweiligen Modus;
• Abbildung der unterstützten Modi und des individuellen Zeitverhaltens einer Komponente in der GSDML-Datei;
• Definition der Funktionen für das Aktivieren und Deaktivieren eines Energie- Effizienz-Modus unter Nutzung der verfügbaren Kommunikationsprotokolle von Profinet IO;
• Beschreibung eines Datensatzes, der zur Laufzeit Informationen über den aktuellen Zustand und die aktuellen Parameter der Komponente enthält;
• Berücksichtigung sicherheitsrelevanter Komponenten in einer speziellen Ab- und Anmeldeprozedur;
• Konzepte für so genannte „Proxy-Funktionen“ von Komponenten wie dem Industrie- Roboter, der zwischen System- und Netzwerk-Grenzen liegt.

Die Energie-Effizienz-Modi

Bei der Erarbeitung der Energie-Effizienz- Modi wurde versucht, der Vielfalt und den technischen Möglichkeiten möglichst vieler Komponentengruppen und Lieferanten Rechnung zu tragen. Kommen PC-basierende Systeme zum Einsatz – wie bei einigen Prozess-Steuerungen oder bei der Robotersteuerung von Kuka der Fall – ist vielfach der Standarddienst „Wake-on-LAN“ verwendbar. Dieses Protokoll – auch „Magic Packet“ genannt – wurde im Jahre 1995 von Hewlett Packard definiert und standardisiert. Bei dieser in der heutigen PCTechnik weltweit verbreiteten Technologie geht die Steuerung in einen extremen Energiespar-Modus. Lediglich die Verbindung zum Netzwerk wird am Leben erhalten, um auf das „Magic Packet“ als Befehl zum Aufwachen reagieren zu können. Dieser Mode wurde als Mode 0 in die Standardisierung eingeführt. Darüber hinaus sind weitere drei Modi vorgesehen.

Die Modi im Detail

Mode 0

Alle energieverbrauchenden Systeme der Komponente sind heruntergefahren, in die Komponente integrierte Switches und der Profinet-IO-Stack sind deaktiviert und sicherheitsrelevante Funktionen der Komponente werden nicht mehr unterstützt; ein Zustandswechsel in den Betriebs- Mode ist nur durch das „Magic Packet“ initiierbar.

Mode 1

Dieser Modus wurde speziell für hochintegrierte Komponenten definiert und unterscheidet sich vom Mode 0 lediglich dadurch, dass der Profinet-IO-Stack und damit die integrierten Switches aktiviert bleiben – die Netzwerk-Infrastruktur ist dadurch weiterhin funktionstüchtig. E/A-Zustände der Komponente sind nach wie vor nicht verfügbar, der Übergang in einen höheren Modus wird durch ein standardisiertes Profinet-Protokoll initiiert.

Mode 2

Der Mode 2 zielt speziell auf modulare E/A-Module. In diesem Zustand sind der Profinet-IO-Stack und die integrierten Switches aktiv, E/A-Zustände und sicherheitsrelevante Funktionen sind je nach vorhergehender Konfiguration teilweise verfügbar. Der Übergang in den Betriebs- Modus wird durch ein standardisiertes Profinet-Protokoll initiiert.

Mode 3

Betriebsmodus – alle Subsysteme der Komponente sind aktiviert, die Komponente meldet „betriebsbereit“

Zur einfacheren Konfiguration des Gesamtsystems sind Informationen über die Komponente hinsichtlich der unterstützten Energie-Effizienz-Modi und des Zeitverhaltens vonnöten. Da die Kommunikationsschicht der zukünftigen Power- Management-Ebene Profinet IO ist, bietet sich die Beschreibung der individuellen Fähigkeiten einer Komponente in der GSDML-Datei an. Hier wird unter anderem standardisiert beschrieben, welche Energie-Effizienz-Modi die Komponente unterstützt und wie lang die individuellen Hochlaufzeiten bis zur Betriebsbereitschaft sind. Mittels dieser Informationen kann die übergeordnete Management- Software den zeit- und energieoptimierten Hochlauf des (Teil-)Systems aus den individuellen Parametern berechnen beziehungsweise optimal sequenzieren.

Wie bereits beschrieben, erfolgt die Abwicklung aller Zustandswechsel innerhalb der Energie-Effizienz-Modi – mit Ausnahme des „Erwachens“ aus Mode 0 – über die Profinet-IO-Kommunikationsschicht. Dafür stellt die PNO einen standardisierten Datensatz zur Verfügung, der es ermöglicht, über definierte Aktionsbits die erforderlichen Zustandsübergänge zu initiieren. Dies sind:

• Zustandswechsel aus dem Betriebs- Mode in den angegebenen Energie- Effizienz-Mode (Profinet IO);
• Zustandswechsel aus einem Energie-Effizienz- Mode in einen höheren Energie-Effizienz-Mode oder den Betriebs- Mode (Profinet IO);
• Zustandswechsel aus Mode 0 in einen höheren Mode oder den Betriebs-Mode (Magic Packet – Wake-on-LAN)

Zusätzlich stellt der Datensatz standardisierte Diagnose-Informationen über den aktuellen Zustand der Komponente zur Verfügung. Bei diesem Ansatz wurde bewusst auf die Abbildung der Funktionen und Statusinformationen auf eine reine E/A-Schnittstelle verzichtet. Durch die Definition eines einheitlichen Datensatzes lässt sich die Schnittstelle bei allen Komponenten gleich halten, was die Programmierung des Power-Managements enorm vereinfacht. Über azyklische Read-/Write-Dienste kann der aktuelle Inhalt des Datensatzes gelesen und geschrieben werden.

Safety mit berücksichtigt

In dem Modi werden keine sicherheitsgerichteten Funktionen mehr unterstützt. Dies betrifft hauptsächlich die Not-Halt- Funktion von Steuerungen und Bediengeräten. Bisher verfügte jede Robotersteuerung immer über ein Bedien- und Programmiergerät, das nach geltenden Normen mit einem Not-Halt-Taster ausgerüstet sein muss. In letzter Zeit kommen jedoch zunehmend einzelne, abkoppelbare beziehungsweise funkbasierende Bediengeräte für mehrere Robotersteuerungen zum Einsatz.

Damit ergibt sich ein neues, bisher noch nicht berücksichtigtes Szenario: Fordert die übergeordnete SPS den Mode 0 oder Mode 1 von einer sicherheitsgerichteten Komponente an, würde ohne besondere Zusatzmaßnahmen im Fall eines Industrie- Roboters der gesamte Not-Halt-Kreis stillgesetzt – selbst wenn aktuell gar kein Bediengerät mit Not-Halt-Taster an die Steuerung angeschlossen ist! –, da die Not-Halt- Kette durch den Roboter in Mode 0 unterbrochen wurde. Damit blieben die geplante Flexibilität und hohe Granularität des ethernetbasierenden Energiemanagements auf der Strecke. Aus diesem Grund ist die Möglichkeit vorgesehen, dass sich eine sicherheitsgerichtete Komponente vor den Zustandswechsel in den Mode 0 oder Mode 1 bei ihrer zuständigen Sicherheits-SPS zweikanalig abmeldet. Diese Abmeldung geschieht in mehreren Schritten:

Über das neue PROFIenergy-Profil können die von der PNO definierten Energiesparmodi der Geräte durch eine Steuerung einheitlich und einfach angesprochen sowie deren Rückmeldungen ausgewertet werden. Damit lässt sich Energie managen, ohne den Produktionsprozess zu beeinträchtigen.

Die übergeordnete Leittechnik fordert bei der Komponente zunächst einen Zustandswechsel in Mode 0 oder Mode 1 an. Die Komponente prüft, ob der Zustandswechsel aufgrund des internen Status zulässig ist. Darf der Zustandswechsel vollzogen werden, so sendet die Komponente eine zweikanalige Abmelde-Anforderung an die übergeordnete Sicherheits-SPS. Diese prüft, ob die Abmeldung aufgrund des aktuellen Anlagenzustands zulässig ist. Für den Fall, dass die Abmeldung durchgeführt werden darf, überbrückt die Sicherheits- SPS den Not-Halt-Kreis logisch und sendet eine entsprechende zweikanalige Response an die Komponente. Die Komponente wechselt daraufhin in den Effizienz-Mode 0 oder 1 und deaktiviert den Profinet-IO- und den Profisafe-Stack. Entsprechend dieser Abmelde-Sequenz erfolgt die Realisierung der Wiederaufnahme der Komponente in den Sicherheitskreis durch eine zweikanalige Aufnahme- Sequenz beim Übergang vom Mode 0 zum Beispiel in den Betriebs-Mode.

In der klassischen Kommunikationsarchitektur eines Automobil-Rohbaus liegt der Industrie-Roboter zwischen zwei Netzwerken. Der Roboter ist einerseits ein Profinet-IO-Device unterhalb der Linien- SPS.

Andererseits ist die Robotersteuerung ein Profinet-IO-Controller, der seine unterlagerte Prozess- und E/A-Peripherie in Echtzeit selbst ansteuert. Da zur Zeit der direkte Zugriff der Linien-SPS auf roboterunterlagerte Profinet-IO-Devices nicht möglich ist (Shared Devices), wird es Aufgabe des Roboters sein, die von der Linien-SPS angeforderten Zustandswechsel an seine unterlagerten Komponenten weiterzugeben.

Damit wird der Roboter aus der Sicht des Energie- Managements zu einem Gesamtsystem, das den Roboter selbst und alle unterlagerten Prozess-Systeme umfasst. Die Robotersteuerung analysiert das oben beschriebene Zeitverhalten ihrer angeschlossenen Komponenten anhand der GSDML-Dateien, ermittelt daraus die Hochlaufzeit des Gesamtsystems und meldet diese an das überlagerte Energiemanagement. Die Komponente mit der höchsten Hochlaufzeit bestimmt damit die Hochlaufzeit des Systems. Fordert die Linien-SPS ein Zustandswechsel an, gibt die Robotersteuerung diesen an die Subsysteme weiter.

Auf den Punkt gebracht lässt sich festhalten: Mit den Energie-Effizienz-Funktionen auf der Basis von Profinet IO und dem Wake-on-LAN-Befehl verfügen Anlagenbetreiber in Zukunft über ein geeignetes Werkzeug, um die Gesamtenergie- Bilanz einer Anlage zu optimieren. Entscheidend für den Erfolg wird eine zügige Standardisierung durch die PNO und die kurzfristige Umsetzung der Funktionen innerhalb der Komponenten sein. Zusätzlich werden neue Energiemanagement- Tools benötigt, die die Lücke zwischen Produktionsplanung (Welche Modelle werden gebaut?) und der Produktionsmittel- Steuerung (Welche Produktionsmittel werden dafür benötigt?) schließen.

Autoren:

Peter Klüger ist Mitarbeiter im Bereich Produktmanagement Automotive bei Kuka Roboter, Gersthofen.

Dr. Peter Wenzel ist Geschäftsführer der Profibus-Nutzerorganisation (PNO), Karlsruhe.

PROFIenergy ist auf dem Weg

Mitte 2008 haben sich die Vertreter der AIDA (Automatisierungs-Initiative Deutscher Automobilhersteller) zum erstem Mal mit der PNO an einen Tisch gesetzt, um gemeinsam das Thema „Energiemanagement und der verantwortungsvolle Umgang mit den Ressourcen“ anzugehen. Herausgekommen ist dabei ein neues Profil, genannt PROFIenergy, welches Funktionen und Mechanismen für Profinet zur Verfügung stellt, die eine energieeffiziente Produktion ermöglichen sollen. Das Profil dient zum Austausch von Daten und Befehlen, enthält aber keine Logikfunktionen im Sinne einer Prozesssteuerung. „Die PNO kann zwar keine energiesparenden Komponenten entwickeln, aber die Infrastruktur in der Kommunikation bereitstellen, so dass Energiesparen beim Betrieb von Anlagen möglich wird“, erklärt Jörg Freitag, Vorsitzender der PNO.

Beispielhaft nennt er eine Rohbauanlage in der Automobil-Industrie, die während der produktionsfreien Zeit immerhin noch einen Leistungsbedarf von 20 kW hat. Die PNO sieht weiteres Potenzial. „Es genügt nicht, die gesamte Anlage am Wochenende abzuschalten, sondern es lohnt sich auch, einzelne Komponenten oder Anlagenteile gezielt während der Produktion abzuschalten, wenn diese gerade nicht benötigt werden. Über einen langen Zeitraum betrachtet, kann selbst eine Abschaltung für 30 Sekunden bei bestimmten Gerätetypen wie beispielsweise Lasern profitabel sein“, so Freitag. Das erste Release von PROFIenergy, welches die heutige Anforderungslage der Industrie abdeckt, soll bereits Ende dieses Jahres zur Verfügung stehen. Danach sind die Gerätehersteller gefordert, entsprechende Implementierungen in ihren Geräten vorzunehmen.

Die Sichtweise der Automobilindustrie

Am 11. März stellte PNO-Vorsitzender Jörg Freitag die Arbeiten zum neuen Profinet-Profil PROFIenergy vor. Mit auf dem Podium saßen die Vertreter der Automobil-Industrie, die durchwegs ihre Forderung nach einem solchen Profil unterstrichen. Einige Aussagen im Wortlaut:

Jürgen Kübler, Mercedes-Benz: „Wir wollen keinen Hyper-Aktivismus einzelner Hersteller, nur weil das Thema Energie-Effizienz jetzt gerade in aller Munde ist. Es wäre für uns das Schlimmste, wenn nun jeder Komponenten- Hersteller seine eigenen Energiesparansätze entwickeln würde und wir diese in unseren Linien zusammenfügen müssten. – Wir wollen eine standardisierte Lösung.“

Josef Margraf, Audi: „Wir brauchen einen sicheren Energiespar-Modus und ein sicheres Anlaufen, unabhängig davon, ob wir jetzt vom laufenden Betrieb reden oder vom Wochenende. Und wir wollen fest vorgegebene Umschaltzeiten berechenbar machen – entweder über die verschiedenen Spar-Modi oder über entsprechende Komponenten, die den Energieprofil-Modi entsprechen. Dies ist notwendig, um letztendlich auch unser Schichtmodell abdecken zu können. Denn wir müssen sowohl kurze als auch lange Pausen in die entsprechenden Betriebszustände versetzen, um einerseits eine optimale Energie- Einsparung zu erzielen und andererseits nach Pausen-Ende wieder einen sicheren Anlauf zu gewährleisten.“

Peter Ziegler, BMW: „Wir Automobilisten haben uns in der AIDA zusammengeschlossen, um genau für solche Themen ein Sprachrohr zu sein. Und wir haben uns mit der PNO zusammengesetzt, um gemeinsam an dem Thema zu arbeiten. – Diese gemeinsame Arbeiten sind ein ganz klarer Aufruf an die Komponentenhersteller, hier aktiv zu werden! Das Thema Energie-Effizienz oder ganz konkret das Thema PROFIenergy-Funktionalität wird ganz klar ein Teil des zukünftigen Benchmarks bei uns Automobilisten sein.“

Roland Schley, Volkswagen: „Aus Volkswagen- Sicht ist das Thema PROFIenergy ein ganz wichtiges Kriterium und wird vor dem Hintergrund der Energiepreise in Zukunft ein Entscheidungskriterium sein bei der Auswahl der Komponenten.“

Jürgen Kübler, Mercedes-Benz: „Was das Energiesparpotenzial betrifft, muss man zwei Stellhebel unterscheiden: Wir sind überzeugt, dass man in den nicht-produktiven Zeiten 80 % der Energie einsparen kann. Und der Leistungsbedarf während der produktionsfreien Zeit beträgt immerhin noch 20 kW. Beim zweiten Stellhebel – der Energie-Einsparung in den produktiven Zeiten – fällt die Quantifizierung schwerer. Sprich, wenn etwa ein Roboter während der Produktion nicht arbeitet. Da ein Roboter im Ruhezustand noch 300W verbraucht und angesichts der hohen Anzahl der Roboter in unseren Fertigungslinien, sehen wir hier sehr großes Potenzial.“