Leistungsfähiges Fernwirken trifft zukunftsweisende Automatisierung

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1 Leistungsfähiges Fernwirken trifft zukunftsweisende Automatisierung Der zunehmende Kostendruck auf die Ver- und Entsorgungs - unternehmen verlangt nach innovativen und kostenoptimierten Lösungen für den Aufbau und die Unterhaltung von Automati sie - rungs- und Fernwirkanlagen. Mit der Integration der gesamten Fernwirkfunktionalitäten in moderne Automatisierungsgeräte sind zukünftig Hybridgeräte verfügbar, die auf der Basis neu - artiger Kommunikationstechnologien beide Aufgabenstellungen in wirtschaftlicher Weise vereinen. Hohe Einsparpotentiale ergeben sich dabei sowohl in der Investitionsphase wie auch bei der Wartung und Ersatzteilhaltung. Dieter Schaffner Dietmar Schweitzer die Meldungsverarbeitung mit Entprellung und Entflatterung, die Messwertverarbeitung mit integrativen Schwellen und Delta-Event, ein Wähldienst mit Archivierung von Messwerten und Zählwerten sowie die Übertragung der Prozessdaten mit Erfassungszeit. Bei TCP/IP-Kommunikation besteht die Möglichkeit des direkten Anschlusses der Die Einsatzgebiete der heutigen Fernwirkgeräte zeichnen sich durch teilweise schwierige Umweltbedingungen aus. So sind die Schaltschränke oft nicht in geschlossenen Gebäuden untergebracht, sondern unter freiem Himmel und somit besonderen Temperatur- und Klimabedingungen ausgesetzt. Die Geräte müssen entsprechende Anforderungen erfüllen, wie einen erweiterten Temperaturbereich von 20 C bis +70 C, EMV-Verträglichkeit nach IEC [1] und Isolationsfestigkeit nach IEC [2]. Neben diesen hohen Anforderungen an die Betriebseigenschaften sind die Fernwirkgeräte für eine lange Lebensdauer ausgelegt. Betriebszeiten bis zu 15 Jahren sind keine Ausnahmefälle. Dipl.-Ing. Dieter Schaffner (44), hat Elektrotechnik in der Fachrichtung Nachrichtentechnik an der Universität Karlsruhe studiert. Er ist Abteilungsleiter bei der IDS GmbH in Ettlingen und zuständig für die Produktentwicklung Prozess - automatisierung. dieter.schaffner@ids.de Dipl.-Ing. (FH) Dietmar Schweitzer (39), hat Elektrische Energietechnik an der FH Karlsruhe studiert. Er ist Produktmanager für Fernwirk- und Automatisierungstechnik bei der IDS GmbH. dietmar.schweitzer@ids.de Bild 1. Fernwirkgerät als Gateway zwischen SPS und Leitsystem Die Fernwirkgeräte sind für die Weitbereichskommunikation mit sehr langen Übertragungswegen und geringen Datenraten konzipiert, wobei folgende Übertragungsmedien typisch sind: Wechselstromtelegraphie mit Zweidrahtleitung (1 200 Baud), Wählmodem (9 600 Baud), ISDN, Bündelfunk, Tetra oder ISM- Funk. Um der geringen Datenrate und hoher Übertragungssicherheit Rechung zu tragen, wird die Kommunikation ereignisorientiert und mit hoher Datenintegrität vorgenommen. Zur Reduktion der Telegrammlast werden signalvorverarbeitende Funktionen angewendet. Dazu zählen Fernwirkgeräte an die Leittechnik über LAN bzw. WAN, wobei häufig Technologien wie GPRS und DSL verwendet werden. Die Übertragung wird heute typischerweise gemäß IEC [3] für serielle Verbindungen und IEC [4] für TCP/IP-basierte Kommunikation abgewickelt. Kennzeichen der bestehenden Fernwirknetze sind ihre Heterogenität und die dadurch hervorgerufene Komplexität. Typische Besonderheiten sind, dass Fernwirkgeräte und Protokollwandler unterschiedlicher Hersteller zum Einsatz kommen und Mehrwegekommunikation über zwei bis vier unabhängige Übertragungsmedien zur Erhöhung der Verfügbarkeit genutzt werden. 38 Heft 9/2008

2 Automatisierungsgeräte in der Industrie, die in der überwiegenden Mehrzahl speicherprogrammierbare Steuerungen (SPS) sind, bieten in der Regel nicht die notwendige elektromagnetische Verträglichkeit. Zudem sind sie nicht für die Prozesssignalspannung DC 48/60 V, DC 110 V und DC 220 V ausgelegt. Für die Kommunikation in der Automatisierung sind hohe Geschwindigkeiten bei zeitkritischer Erfassung und kurze Distanzen zum Prozess sowie zwischen den Automatisierungsgeräten typisch. Zur Kommunikation werden Feldbusprotokolle eingesetzt. Fernwirken mit Automatisierung Oftmals sind in Anlagen die Eigenschaften von Automatisierungs- und Fernwirkgeräten gleichermaßen gefordert. Um die Anforderung nach fernwirktechnischer Datenfernübertragung, schneller Signalerfassung und kurzen Reaktionszeiten zu erfüllen, stehen bisher drei Wege zur Verfügung. Die erste Möglichkeit besteht darin, das Automatisierungsgerät mit einem Fernwirkprozessor aufzurüsten. Dies bringt allerdings den Nachteil mit sich, dass Fernwirkfunktionen in der SPS programmiert werden müssen und daher entsprechendes Know-how notwendig ist. Außerdem fehlt die Unterstützung der fernwirktechnischen Datentypen (z. B. Doppelmeldungen) und Datenattribute. Hier haben reine Fernwirkgeräte klare Vorteile, weil diese Funktionen fest in der Firmware abgelegt, durch den Hersteller geprüft und einfach zu parametrieren sind. Bei der zweiten Möglichkeit wird sowohl ein Automatisierungs- als auch ein Fernwirkgerät als Gateway zur Leittechnik installiert (Bild 1). Die hohe Komplexität führt aber zu einem aufwendigeren Engineering durch ein zusätzliches Gateway mit Kommunikationsschnittstelle. Entsprechend schwierig ist die Fehlersuche bei der Inbetriebnahme. Die verschiedenen Lieferanten und doppelte Ersatzteilhaltung stellen weitere Nachteile dar. Die letzte Möglichkeit basiert darauf, dass viele Fernwirkgeräte heute auch Auto- Bild 2. Hybrides Fernwirkgerät Acos Heft 9/2008

3 matisierungsaufgaben übernehmen können. Der Komfort und das Handling bezüglich der SPS-Programmierung sind hier heute durchaus auf dem Stand typischer Automatisierungsgeräte. Nachteile sind jedoch häufig die Geschwindigkeit der Signalverarbeitung sowie die Reaktionszeit der Geräte. Kurze Erfassungszyk - len von IO bzw. extrem kurze Zykluszeiten bei der Bearbeitung spielen bislang eine eher untergeordnete Rolle bzw. waren technisch auch nur schwer realisierbar. Deshalb kann diese Lösung nur in nichtzeitkritischen Prozessen angewendet werden. Neue Technologien neue Lösungen Die ideale Lösung für den Betreiber wäre also ein Hybridgerät, das sowohl Automatisierungs- wie auch Fernwirkaufgaben übernehmen kann. Bislang war der Bau eines solchen Gerätes aus wirtschaftlichen sowie technischen Gründen nicht sinnvoll. Neue Technologien zeigen jedoch Lösungsansätze auf. Der Einsatz moderner Prozessorund Bus-Technologien (Bild 2) ermöglicht den Bau von Geräten, die sowohl die Anforderungen eines Automatisierungs- als auch eines Fernwirkgerätes erfüllen. Leistungsstarke CPU bieten genügend Reserven, um sowohl Fernwirkprozeduren und SPS-Programme, als auch Peripheriebustreiber in Echtzeit zu bearbeiten. Moderne Embedded-Betriebssysteme stellen alle erforderlichen Mechanismen zur Kontrolle und Koordination der unterschiedlichen Softwareprozesse zur Verfügung. Der Einsatz von Buskonzepten, wie der Ethercat-Technologie [5], ermöglicht einen schnellen Datenaustausch zwischen Peripherie und CPU. Die Softwarestruktur (Bild 3) eines solchen Hybridgerätes lässt sich grob in vier Kernprozesse gliedern: Ethercat-Master: Koordination des Datenverkehrs auf dem Peripheriebus und zyk lische Aktualisierung des kompletten Prozessabbildes unter 1 ms, SPS-Kern: Abarbeitung des SPS-Programms mit Ausführungszeiten von typischerweise <0,15 ms / 1k Anweisungen, Fernwirksoftware: Vorverarbeitung der Prozessinformationen und automatische Telegrammerzeugung, Kommunikationstreiber: Protokolltreiber für z. B. IEC , IEC , IEC , Modbus RTU, Modbus TCP, DNP3 usw. Durch Verwendung des schnellen Bussystems Ethercat werden sowohl SPS-Kern als auch Fernwirksoftware schnell mit Daten versorgt bzw. Schreibzugriffe der SPS auf die Peripherie nahezu verzö- Heft 9/

4 in der CPU integrierten Ethercat- Master steht eine große Anzahl unterschiedlichster IO-Peripherie zur Verfügung. Durch die Möglichkeit, diese Peripherie dezentral zu betreiben, sind auch räumlich ausgedehnte Steuerungskonzepte einfach zu realisieren. Gleichzeitig erfüllt das Gerät alle Anforderungen hinsichtlich der in Fernwirksystemen erforderlichen Funktionalitäten. So erzeugt das Gerät automatisch für alle von der Peripherie erfassten Prozessdaten, wie Meldungen, Messwerte und Zählwerte, die entsprechenden Fernwirktelegramme. Daten von angekoppelten Geräten zum Beispiel mit Modbus-Interface werden automatisch in Fernwirktelegramme umgesetzt. Die Umsetzung von Befehlen und Sollwerten erfolgt in gleicher Weise. Bild 3. Prozessstruktur eines hybriden Automatisierungs- und Fernwirkgerätes gerungsfrei ausgeführt. Der Einsatz einer modernen SPS mit Programmierung nach IEC [5] bietet den aus Automatisierungsgeräten gewohnten Komfort und Funktionsumfang, wie Rückladen des Programms aus der Steuerung, Online-Change usw. Heutige IEC Programmiersysteme (Bild 4) erzeugen zudem nativen Code für das SPS-Laufzeitsystem, was kurze Befehlsausführungszeiten ermöglicht. Gleichzeitig ist die Fernwirksoftware durch die kurzen Aktualisierungsraten von Ethercat in der Lage, Fernwirkobjekte mit einer Zeitinformation bei einer Genauigkeit von 1 ms zu versehen. Applikationen Da der Ethercat-Master als selbstständiger Prozess arbeitet, stehen der Fernwirksoftware sämtliche Daten unabhängig von der SPS zur Verfügung. Ebenso kann ein solches Gerät als reine SPS ohne Fernwirkfunktionen genutzt werden (Bild 5). Die Ethercat-Technologie ermöglicht es außerdem, auf einfache Weise dezentrale Peripherie-Lösungen zu realisieren. Dazu werden die entsprechenden IO-Module oder Sensoren an beliebiger Stelle in der Anlage verteilt und mit Ethernet-Leitungen verbunden (Bild 6). In der Praxis ergeben sich daraus viele Vorteile. Zunächst einmal steht ein leistungsfähiges Automatisierungsgerät zur Verfügung, das auch Ansprüchen an schnelle Befehlsabarbeitung und Peripheriezugriffe sowie geringe Reaktionszeiten erfüllt. Ein marktübliches IEC Programmiersystem verkürzt die Einarbeitungszeiten und steigert die Effizienz bei der Erstellung von SPS-Programmen und Inbetriebnahme. Durch den Bild 4. Integrales Engineeringsystem Acos ET Bild 5. Einsatz der Acos 750 als Kommunikationsknoten 42 Heft 9/2008

5 Bild 6. Anschaltung von dezentraler Peripherie mit Acos 750 Die Fernwirksoftware übernimmt auch die komplette Koordination für Mehrweg - kommunikation. Im Falle einer Verbindungsstörung (z. B. bei Leitungsdefekt) schaltet das Gerät automatisch auf eine andere physikalische Schnittstelle, um hier zum Beispiel via Wählmodem einen temporären Ersatzweg aufzubauen. Alle diese Mechanismen sind Bestandteil der Fernwirksoftware und müssen nicht über ein SPS-Programm realisiert werden. Die Parametrierung der Fernwirkeigenschaften und die Programmierung der SPS erfolgt über ein integratives, graphisches Engineeringtool. Dieses erlaubt die Einstellung bzw. Anpassungen von Parametern wie: Einstellung der Kommunikationsart (Wähldienst, Standleitung) einschließlich der Zuordnung von Übertragungsprotokollen zu den physikalischen Schnittstellen sowie Art und Zeitraster der Archivierung von Daten, Parametrierung der Vorverarbeitung und Eigenschaften von Meldungen (z. B. Einfach-/Doppelmeldung, Entprellzeit, Störstellungsunterdrückungszeit), von Messwerten (z. B. Übertragungsschwellen, Grenzwerte, Prozesslimits) sowie von Zählwerten (z. B. Zählerüberlaufbehandlung) und Programmierung der SPS-Programme entsprechend IEC Selbstverständlich erlaubt das Gerät auch Kommunikation zwischen Leitsystem und SPS-Programm sowie verschiedenen Geräten untereinander. So können aus dem SPS-Programm heraus durch einfachen Aufruf von Funktionsbausteinen Meldungen, Messwerte und Zählwerte an ein Leitsystem oder andere Teilnehmer im Fernwirknetz gesendet werden. Ebenso ist der Empfang von Befehlen und Sollwerten von beliebigen Teilnehmern möglich. Fazit Der Einsatz moderner Fernwirkgeräte macht Gateway-Lösungen zwischen SPS und Leitsystem überflüssig. Dies erspart dem Betreiber Kosten bei der Hardwarebeschaffung, der Inbetriebnahme, bei Wartung, Pflege und Ersatzteilhaltung sowie bei der Schulung von Wartungspersonal. Diese modernen Hybridgeräte können auch zur Lösung komplexer und zeitkritischer Automatisierungsaufgaben eingesetzt werden. Literatur [1] IEC : Electrical equipment for measurement, control and laboratory use - EMC requirements Part 1: General requirements. Genf/Schweiz: Bureau Central de la Commission Electrotechnique Internationale. (zu beziehen über [2] IEC : Electrical Relays Part 5: Insulation coordination for measuring relays and protection equipment Requirements and tests. Genf/Schweiz: Bureau Central de la Commission Electrotechnique Internationale. (zu beziehen über [3] IEC : Telecontrol equipment and systems Part 5: Transmission protocols Section 101: Companion standard for basic telecontrol tasks. Genf/Schweiz: Bureau Central de la Commission Electrotechnique Internationale. (zu beziehen über [4] IEC :2000 Telecontrol equipment and systems, Part 5-104: Transmission protocols Network access for IEC using standard transport profiles. Genf/Schweiz: Bureau Central de la Commission Electrotechnique Internationale. (zu beziehen über [5] Ethercat Technology Group: [6] IEC :2003 Programmable controllers Part 3: Programming languages. Genf/Schweiz: Bureau Central de la Commission Electrotechnique Internationale. (zu beziehen über Heft 9/