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1 ABB technik 3 12 Die technische Zeitschrift des ABB Konzerns ABB als Softwareunternehmen 6 Effizientes Asset-Management 28 Optimierter Minenbetrieb 39 Cybersicherheit 64 Software

2 Jedes in Betrieb befindliche technische Gerät erfüllt einen Zweck nicht nur im direkten Systemzusammenhang, sondern auch im Sinne der allgemeinen Wirtschaft und Gesellschaft. Wird die Zusammenarbeit dieser Komponenten und Systeme durch Softwarefunktionalität optimiert, steigen Produktivität, Zuverlässigkeit und Effizienz. Die Roboter auf der Titelseite dieses Hefts gehören zu den offensichtlichsten softwaregetriebenen Komponenten bei der Automobilherstellung. Doch es gibt noch zahlreiche weitere Aspekte, an denen Softwarekomponenten beteiligt sind. Diese reichen von ERP-Systemen (Enterprise Resource Planning) bis hin zur Sicherung der Stromversorgung. Ein komplexes System anderer Art ist auf dieser Seite zu sehen: das Solarkraftwerk Extrasol in Spanien. 2 ABB technik 3 12

3 Inhalt Software Eingebettete Software Unternehmenssoftware Systemsoftware Softwareprozesse Software von ABB ist überall Warum ABB auch ein Softwareunternehmen ist Eine parallele Zukunft Die Rolle der Software für die Entwicklung der nächsten Generation von Echtzeit-Controllern Brückenschlag für Kundenbedürfnisse Eingebettete Regelungsprogramme von ABB-Niederspannungs-Frequenzumrichtern liefern die Grundlage für eine Brückenregelungsanwendung Konvergenz von IT und OT Steigerung der Leistungsfähigkeit von Verteilnetzen durch das Zusammenwachsen von IT und OT Wertvolle Anlagen Unternehmensweites Asset-Management und die Spezifikation PAS 55 Skalierungsfaktoren Sicherung der Skalierbarkeit für die zukünftige IT von ABB Optimierter Minenbetrieb Unternehmensweite Integration als Schlüssel zu mehr Produktivität im Bergbau Optimierung am Modell Modellbasierte Spannungs- und Blindleistungsregelung in intelligenten Stromnetzen Gemeinsam besser Der Wert der Umwandlung von Daten in nutzbare Informationen Auf eigene Initiative Die Verbesserungsinitiative von ABB im Bereich Softwareentwicklung trägt Früchte Cybersicherheit Schutz von kritischen Infrastrukturen in einer sich verändernden Welt Technologie allgemein ABB-Power für die Ausbildung ABB hilft beim Aufbau eines Trainingszentrums für elektrische Antriebstechnik in Österreich Frischer Wind ABB setzt neue Maßstäbe für Software auf Schiffen Inhalt 3

4 Editorial ABB und Software Prith Banerjee Liebe Leserin, lieber Leser, als neuer Chief Technology Officer der ABB- Gruppe begrüße ich Sie zur dritten Ausgabe der ABB Technik in diesem Jahr, die dem Thema Software gewidmet ist. Ich kam im April 2012 zu ABB, nachdem ich fünf Jahre als Senior Vice President of Research bei Hewlett Packard tätig war. Davor war ich insgesamt 23 Jahre an der University of Illinois und der Northwestern University tätig und habe zwei Softwareunternehmen gegründet. In den vergangenen Monaten habe ich bei ABB Hunderte von Menschen getroffen und dabei viel über das breite Portfolio des Unternehmens gelernt. Dabei präsentierte sich ABB mir als echtes Technologieunternehmen mit großer Innovationskraft, denn unsere Forscher arbeiten sowohl an der innovativen Weiterentwicklung unserer Produkte und Dienstleistungen als auch an der Erschließung völlig neuer Bereiche. Der Bereich Software gehört zu den jüngeren technischen Disziplinen und hat in seiner kurzen Geschichte bereits einige bemerkenswerte Entwicklungen durchlaufen. So können Software entwickler heute auf ein umfangreiches Angebot an Werkzeugen, Bibliotheken, Theorien und Frameworks zurückgreifen, die sie bei vielen alltäglichen Aufgaben unterstützen und ihnen den Kopf für die eigentlichen Herausforderungen freihalten. Doch nicht nur die Theorien und Werkzeuge haben sich weiterentwickelt. Auch im Bereich der Computer und der Kommunikation eröffnen bahnbrechende Entwicklungen neue Möglichkeiten für Software. Wer hätte vor einigen Jahren gedacht, dass ein Leistungstransformator einmal eine Softwarekomponente haben würde? ABB ist bei Weitem kein Neuling auf diesem Gebiet. Tatsächlich ist das Unternehmen bereits seit mehreren Jahrzehnten in der Softwareentwicklung tätig und beschäftigt heute rund Softwareingenieure. Da ein großer Teil der Software bisher in anderen Produkten integriert war, wurde ABB kaum als Softwareunternehmen wahrgenommen. Dies hat sich mit der Übernahme von Unternehmenssoftwareanbietern wie Ventyx und Mincom geändert. Das derzeitige Angebot und die Aktivitäten von ABB lassen sich in drei Kategorien einteilen. Eine davon ist Software, die in Geräte eingebettet ist. Diese reicht von der Schutzlogik in Leistungsschaltern bis hin zu fortschrittlichen interaktiven Funktionalitäten von Analyse- und Messgeräten oder Robotersteuerungen. Die zweite Kategorie umfasst Systemsoftware zur Steuerung und Koordinierung von Prozessen über komplette Anlagen hinweg (oder darüber hinaus). Solche Systeme ermöglichen den Anschluss mehrerer Zehntausend Geräte und die Integration mehrerer Steuerungs ebenen (so können von derselben Bediensta tion aus sowohl ein anlagenweiter chemischer Prozess überwacht als auch verschiedene Aspekte des Energiemanagements gesteuert werden). Die dritte Kategorie umfasst Software für die Unternehmensebene, die durch die erwähnten jüngsten Akquisitionen erheblich gestärkt wurde. Quer durch alle drei Kategorien befasst sich ABB auch mit allgemeinen softwarebezogenen Aspekten. Ein Beispiel ist das SDIP-Programm zur Sicherung einer einheitlichen und hohen Qualität in der gesamten Softwareentwicklung. Ein weiterer Aspekt, der mit der Kopplung von immer mehr Geräten an öffentliche Netze zunehmend an Bedeutung gewinnt, ist die sogenannte Cybersicherheit. Die Aktivitäten von ABB im Softwarebereich sind also äußerst umfangreich. Eine Auswahl entsprechender Projekte wird in dieser Aus gabe der ABB Technik vorgestellt. Ich hoffe, dies liefert Ihnen neue Einblicke und weckt Ihr Interesse an der faszinierenden Welt der Software bei ABB. Eine interessante Lektüre wünscht Ihnen Prith Banerjee Chief Technology Officer & Executive Vice President ABB Group 4 ABB technik 3 12

5 Editorial 5

6 Software von ABB ist überall Warum ABB auch ein Softwareunternehmen ist Martin Naedele ABB wird manchmal als das größte Unternehmen, das niemand kennt bezeichnet. Seine Produkte spielen zwar eine wichtige Rolle für die Lebensqualität von Hunderten Millionen Menschen, zielen aber nicht auf den Verbrauchermarkt ab. Ähnlich sind auch die Aktivitäten von ABB im Softwarebereich ein Aspekt des Unternehmens, den scheinbar niemand kennt. Doch die Annahme, dass Software für das Geschäft von ABB nur am Rande eine Rolle spielt, ist mehr als falsch. Mit rund Softwareentwicklern in 40 Ländern weltweit und einem Anteil am Gesamtumsatz von 25 % ist ABB zweifelsohne ein bedeutendes Softwareunternehmen. Titelbild Software gehört zu den Bestandteilen moderner Produkte und Dienstleistungen, die bei flüchtiger Betrachtung nicht sofort erkennbar sind und am häufigsten übersehen werden. Ähnlich ist es nicht unmittelbar ersichtlich, inwieweit sich ABB zu einem Softwareunternehmen entwickelt hat und welche Rolle Software mittlerweile bei ihren Produkten und Aktivitäten spielt. Das Bild auf dieser Doppelseite zeigt einen Blick auf Dubai. 6 ABB technik 3 12

7 Software von ABB ist überall 7

8 Durch kürzlich erfolgte Akquisitionen ist ABB auch als Anbieter reiner Unternehmenssoftware in Erscheinung getreten und gehört nun zu den drei führenden Anbietern im Bereich Enterprise Asset Management. 1 Ein großer Teil der Software von ABB findet sich in Produkten wie diesen. a) Prozessmessinstrumente b) Roboter c) Leitsysteme d) Gebäudesystemtechnik I n der Vergangenheit wurden die Aktivitäten von ABB im Softwarebereich häufig übersehen, weil der größte Teil der vom Unternehmen entwickelten Software als Bestandteil von Hardwareprodukten wie elektronischen Schutz geräten für die Schalt anlagenautomatisie rung, Prozessmessinstrumenten, Robotern und sogar Transformatoren oder als Bestandteil von gemischten Hard- und Softwaresystemen wie den Auto mati sierungs- und Prozessleitsystemen System 800xA und Symphony Plus verkauft wurde 1, 2. Doch mit dem kürzlich erfolgten Erwerb der Unternehmen Ventyx und Mincom ist ABB nun auch als Anbieter reiner Unternehmenssoftware 1 in Erscheinung getreten, z. B. im Bereich Enterprise Asset Management, wo ABB nun zu den drei führenden Anbietern weltweit gehört 2. Durch die Über nahmen und die Expansion in den Bereich der Unternehmens-IT, die über die traditionellen CPM-Lösungen 3 von ABB hinaus geht, übernimmt ABB eine führende Position in einer Entwicklung, die von einigen Beratungsunternehmen gern als Konvergenz von OT (operative Technolo gien, Automatisierungssysteme) und IT (Informations technologien, Unternehmensinformationssysteme) bezeichnet wird. Mit der Erweiterung des Unternehmensportfolios geht eine Veränderung des Geschäfts modells einher. Viele Produkte, einschließlich Software, wurden traditio- nell nach Laufmeter und gegen eine einmalige Gebühr verkauft. Doch Einstellungen ändern sich, und Kunden halten Software zunehmend nicht mehr für ein Betriebsmittel, das einmal installiert und dann vergessen werden kann. Stattdessen wünschen sie sich Systeme, die sich weiterentwickeln und von fortlaufenden Verbesserungen profitieren. Dies zeigt sich deutlich in einem Wandel vom einmal Kaufen -Ansatz hin zu einem serviceorientieren Modell, das Kunden Zugang zu einem kontinuierlichen Angebot von zusätzlichen Funktionen, Verbesserungen der Benutzerfreundlichkeit und Anpassungen gewährt, die von ABB entwickelt werden. Informationssicherheit Ein Thema, das im Hinblick auf Softwareupdates nicht ignoriert werden kann, ist das Thema Sicherheit und die dazugehörige, für viele Nutzer und Anbieter leidige Problematik von sicherheitsbezogenen Updates. Während man naiv vielleicht die Meinung vertreten könnte, dass eine gut geschriebene Software gegenüber jeglichen Angriffen unempfindlich sein müsste, hat die Erfahrung gezeigt, dass es in der Realität unmöglich ist, Software zu schreiben, die in der Lage ist, alle möglichen Arten von zukünftigen Angriffen vorauszusehen und zu verhindern. Wichtig ist, den richtigen Mittelweg zu finden zwischen den Anforderungen an die Sicherheit und 8 ABB technik 3 12

9 2 ABB hat ihre Position im Bereich der Unternehmenssoftware gestärkt. 3 Vergleich der Codegröße von verschiedenen eingebetteten Softwareprodukten (KLOC = Tausend Programmzeilen) Fernservice, -diagnose, -upgrades usw. PLS 1980er PLS 1990er PLS 2000er Eingebettete Software Software auf Systemebene Eigenständige und Unternehmenssoftware Software, die in Einzel - geräte integriert ist wie: Messinstrumente Elektrische Antriebe Elektronische Schutzgeräte (IEDs) Software, die auf der Ebene eines Systems arbeitet, z. B.: Automatisierungsund Integrationssysteme wie System 800xA oder Symphony Plus Kommunikationsunterstützung wie IEC (für die Schaltanlagenkommunikation) Software für übergeordnete Zwecke wie Ressourcenplanung, Bestandsverwaltung und Beschaffung. ABB konnte ihre Position in diesem Bereich durch den kürzlich erfolgten Erwerb von Ventyx und Mincom stärken. ~ KLOC ~ KLOC + BS, DB, Grafik Zum Vergleich ~ KLOC + BS, DB, Grafik, Office Suite, andere Komponenten F22 Raptor KLOC Boeing KLOC ABB 800xA KLOC Softwareentwicklungsprozesse einschließlich Informationssicherheit Softwareentwicklung Ein modernes Prozessleit- oder Asset- Manage ment-system kann leicht 10 bis 20 Millionen Programmzeilen umfassen. Dies ist vergleichbar mit der Codemenge in einem Passagierflugzeug, einem modernen Kampfjet, einem Computer-Betriebssystem oder einem Auto 3. Die Erstellung und Pflege von Softwaresystemen dieser Größenordnung erfordert nicht nur hochqualifiziertes Personal, das sich sowohl mit Software als auch mit den Anforderungen der verschiedenen Anwendungsbereiche auskennt, sondern auch professionelle Werk zeuge und ausgereifte Entwicklungsprozesse. Während Systeme und Lösungen von ABB Kunden dabei helfen, die Produktivität und Qualität ihrer Produktions prozesse zu verbessern, ist ABB bestrebt, auch intern modernste Softdem Preis, den die Nutzer bereit sind, sowohl aus finanzieller Sicht als auch im Hinblick auf Komforteinbußen zu zahlen. Tatsächlich ist das Thema Sicherheit für ABB nichts Neues. So befasst man sich bei ABB bereits seit über zehn Jahren mit der Sicherheit von Automatisierungssystemen. Das Unternehmen hat nicht nur die Entwicklung sicherheitsbezogener Normen, z. B. der IEC und ISA, mit vorangetrieben, sondern betreibt auch eine der führenden Forschungsgruppen auf dem Gebiet der Sicher heit von Leitsystemen. Ferner werden Spezialisten für IT-Sicherheit aus allen Bereichen des Unternehmens vom Group Head of Cyber Security koordiniert, einer neuen Position, die 2011 geschaffen wurde, um die konsistente Umsetzung der Sicherheit von ABB-Produkten und -Systemen über alle Bereiche des Unternehmens hinweg und in Übereinstimmung mit den Bedürfnissen der Kunden und neuen gesetzlichen Vorschriften sicher zustellen (mehr über die Aktivitäten von ABB im Bereich Informa tionssicherheit lesen Sie auf den Seiten dieses Hefts). Die Sicherheitsbedenken bei Automatisierungssystemen sind zum großen Teil auf die Tatsache zurückzuführen, dass Leitsysteme heute zunehmend auch Kommunikationssysteme sind, häufig mit globaler Reichweite und Verbindung zu Kunden- Intranets und dem Internet. Moderne Kommunikationsprotokolle für die Schalt- anlagen- und Industrieautomatisierung ursprünglich nur mit der elektrischen Reprä sentation der Bits auf der Leitung befasst haben sich zu eigenen komplexen Softwareanwendungen entwickelt, die die gesamte Komplexität der Systeme, zwischen denen sie Daten übertragen, mit hochentwickelten Funktions- und Informationsmodellen abbilden. ABB ist führend in dieser Entwicklung und eine der Triebfedern hinter den Standards IEC in der Energiewirtschaft 4 und OPC-UA in der Prozessindustrie. Moderne Kommunikationsprotokolle für die Schaltanlagen- und Industrieautomatisierung haben sich zu eigenen komplexen Softwareanwendungen entwickelt. Fußnoten 1 Unternehmenssoftware (Enterprise Software) ist Software für Organisationen wie Unternehmen oder Behörden. Zu den möglichen Funktionen gehören Online-Beschaffung, Bestandsverwaltung und Ressourcenplanung. 2 Quelle: ARC Advisory, EAM Solutions Worldwide Outlook Der Begriff CPM (Collaborative Production Management) umfasst die Werkzeuge und Prozesse, die die Zusammenarbeit zwischen der Produktion eines Unternehmens und den Bereichen unterstützen, mit denen diese eng zusammenarbeiten muss (z. B. Beschaffung, Bestandsverwaltung und Controlling). 4 Mehr über die IEC lesen Sie im ABB Review Special Report IEC Software von ABB ist überall 9

10 4 Automatisierungspyramide 5 Werkzeugkette zur Durchführung automatisierter Modultests (Unit Tests) Neuen Code schreiben Reine Software Kreativ + Testsuite neu generieren Durch Automatisierung zeitaufwändiger und fehleranfälliger Aufgaben können sich die Automatisiert Entwickler auf kreative Aufgaben konzentrieren. Software mit Geräten Tests durchführen Automatisiert Software in Geräten Fehler beseitigen Kreativ Fehlerursachen finden Automatisiert Während ABB bereits mit einer Reihe von Hochschulen an verschiedenen softwarebezogenen Forschungsprojekten zusammenarbeitet, ist das Unternehmen bestrebt, weitere Forschungsgruppen aus aller Welt als Partner zu gewinnen. Fußnote 5 Nähere Informationen über die Forschungsaktivitäten des Unternehmens und das Förderprogramm finden Sie unter wareentwicklungsmethoden und -werkzeuge einzusetzen, um die Effizienz ihrer Softwareentwicklungsteams zu verbessern. Ein jüngstes Beispiel für den Erfolg des ABB Software Development Improvement Program (SDIP, siehe auch die Seiten dieses Hefts) ist der Einsatz von einheitlichen Werkzeugen für das Anforderungs-, Code- und Testmanagement in allen Software entwicklungseinheiten rund um den Globus. Dies war keine leichte Aufgabe für ein traditionell dezentrales Unternehmen wie ABB, das gleichzeitig organisch wächst und neu erworbene Unternehmen integriert. Auf diesem einheit lichen Werkzeugpaket als Fundament bauen auch weitere Software-Engineering-Werkzeuge auf, die von den ABB-Forschungszentren in Zusammenarbeit mit führenden Forschern von Hochschulen in aller Welt entwickelt werden. Ziel ist es, möglichst alle Teile des Softwareentwicklungsprozesses zu automatisieren, die keine menschliche Kreativität und Erfindungs gabe erfordern 5. Beispiele für solche Werkzeuge sind: Statische Analysen für bestimmte Codierungsfehler (eine Art Rechtschreibprüfung für Softwarecode) Automatisierte Codeumwandlung (eine sehr flexible, kontextsensitive Suchen- &-Ersetzen-Funktion, mit der ein Arbeitsaufwand von mehreren Personenmonaten auf mehrere Stunden reduziert werden kann) Automatisierte Erstellung von Regressionstestsuiten Automatisierte Analyse der Auswirkungen von Veränderungen an bestimmten Stellen im Programm Während ABB bereits mit einer Reihe von Hochschulen an verschiedenen softwarebezogenen Forschungsprojekten zu- sammenarbeitet, ist das Unternehmen bestrebt, seinen Einzugsbereich auszudehnen und weitere Forschungsgruppen aus aller Welt als Partner zu gewinnen. Zu diesem Zweck wurde 2011 das ABB Software Research Grant Programm ins Leben gerufen, in dem sich Forschungsgruppen um Förderung bewerben können, wenn sie in einem Gebiet arbeiten, das für ABB von Interesse ist 5. Die Benutzerschnittstelle Viele ABB-Kunden stehen vor einer besonderen Herausforderung: Erfahrenes Bedienpersonal nähert sich dem Ruhestandsalter und eine neue Generation sogenannter Digital Natives also Menschen, die mit Computern und Smartphones aufgewachsen sind rückt nach, die andere Anforderungen an die Benutzerfreundlichkeit oder Usability von industriellen Produkten stellt. Während die heutigen Benutzeroberflächen typischerweise versuchen, die Anzeigen und Instrumente aus der Vorcomputerzeit nachzubilden, erwarten heutige Benutzer zunehmend ein Nutzungserlebnis, das dem neuester Kommunikations- und Unterhaltungselektronik entspricht. Gleichzeitig soll die Benutzerschnittstelle den Lernprozess neuer Bediener durch innovative Lern- und Anleitungsfunktionen, aufgabenorientierte Interaktionskonzepte und Sicherheitsmerkmale unterstützen, die häufige Fehler und Fehlbedienungen verhindern. ABB begegnet diesen Herausforderungen durch die Integration benutzer orientierter Designprinzipien in ihren Produktentwicklungsprozess und die Durchführung von Studien mit Endanwendern sowohl beim Kunden als auch in ihren eigenen modernen Labors für Usabi- 10 ABB technik 3 12

11 6 Die Bewässerungslösung Neptuno ist ein Beispiel für das von ABB angebotene Hosting von Automatisierungssystemen. Rechenzentren Von sozialen Netzwerken wie Facebook und LinkedIn über Suchmaschinen und Websites zur Medienverbreitung bis hin zum wachsenden Markt für die bereits erwähnte Software aus der Cloud der Bedarf an Rechenzentren auf der ganzen Welt steigt rapide 7 und damit auch die Nachfrage nach elektrischer Energie. ABB bietet seit Langem die entsprechende Ausrüstung für die Versorgung der Computer in Rechenzentren mit Strom. Nun hat das Unternehmen erkannt, dass nicht nur die Stromversorgung, sondern auch der gesamte Betrieb von mehreren Hunderttausend Servern in einem Rechenzentrum eine Aufgabe ist, für die von klassischen IT-Unternehmen keine guten integrierten Lösungen angeboten werden, für die sich aber die Produkte und die Erfahrung von ABB nutzen lassen. ABB bietet seit Langem Systeme zur Steuerung und Optimielity und User Experience. Darüber hinaus arbeitet das Unternehmen mit Hochschulen wie dem MIT zusammen und ist am Center for Operator Performance 6, dem führenden Forum zur Förderung des Fortschritts auf dem Gebiet der Usability von Industrie- und Leitsystemen, beteiligt. Software in der Cloud Ein weiterer bedeutender Aspekt des wachsenden Softwareportfolios von ABB sind Anwendungen, die nicht mehr beim Kunden selbst installiert sind, sondern stattdessen im Auftrag des Kunden von ABB gehostet und betrieben werden. Dieses Nutzungsmodell, das vor einigen Jahren als Application Service Provisioning bezeichnet und in jüngster Zeit unter der Bezeichnung Cloud Computing neu eingeführt wurde, bietet verschiedene Vorteile: Bei einigen Anwendungen müssen Kunden nur für die Funktionen und Vorgänge zahlen, die sie tatsächlich nutzen (Pay-per- Use-Modell). Außerdem braucht sich der Kunde nicht um die Wartung der Hard- und Software oder um Updates zu sorgen, da sich ABB um all diese Belange kümmert. Zunächst wurde ein solches Anwendungshosting für Unternehmensinformationssysteme wie Lohnbuchhaltung, Enterprise Resource Planning (ERP), Customer Relationship Management (CRM), Asset Management usw. und für Optimierungs- und Diagnoseanwendungen genutzt. Doch ABB hat erkannt, dass es auch im Bereich der klassischen Automatisierung Anwendungen gibt, bei denen es Kunden zu schätzen wissen, wenn sie sich nicht um die Verwaltung eines kompletten Leit- oder SCADA- Systems kümmern müssen. Ein Beispiel für das von ABB angebotene Hosting von Automatisierungssystemen ist die Bewässerungslösung Neptuno, die erfolgreich in Spanien genutzt wird, um über Landwirten die vollständige Überwachung und Steuerung der Bewässerung ihrer Felder über einen Webbrowser oder ein mobiles Gerät zu ermöglichen 6. Gehostete Lösungen bietet ABB auch im Bereich Enterprise Asset Management an, wo sich ABB um die Verwaltung der Daten für alle installierten ABB-Geräte einschließlich deren Updates, Ersatzteilbedarf und Serviceanforderungen kümmert. Solche Lösungen nutzen innovative Methoden zur Verarbeitung von Diagnose- und Serviceinformationen, um die rechtzeitige Erkennung und Behandlung von kritischen Betriebsmittelzuständen zu ermöglichen und teure ungeplante Ausfallzeiten zu verhindern. rung der Betriebsabläufe in komplexen Industrie anlagen wie Ölbohrplattformen oder Raffinerien, die mehrere Hunderttausend Sensoren und Aktoren enthalten. Diese Systeme integrieren ebenfalls verschiedene Teile des Betriebs (Energieversorgung und -management, Prozessdaten, Diagnose) in ein einziges Leitsystem. In gewisser Weise markiert die Einführung der ABB Data Center Enterprise Management (DCEM) Lösung Decathlon im Jahr 2011 den Schritt des Unternehmens von der industriellen Automatisierung zur postindustriellen Automatisierung 8. Das Softwareunternehmen, das jeder kennen sollte ABB wandelt sich rasch von einem Unternehmen, das Software traditionell ausschließlich für die internen Bedürfnisse seiner eigenen Geräte entwickelt, zu einem Unternehmen, das dabei ist, eine wesentlich breitere Palette von Softwareprodukten und -services zu entwickeln, die auf vielerlei Weise die Bedürfnisse des täg lichen Lebens und der menschlichen Aktivität berühren und vieles möglich machen: von intelligenten Stromnetzen und der intelligenten Verwaltung von Datenautobahnen bis hin zu mehr Komfort im häuslichen Bereich. Martin Naedele ABB Corporate Research Dättwil, Schweiz Fußnoten aspx?iid= &fid= Die jüngsten Entwicklungen im ABB-Angebot für Rechenzentren werden in einer zukünftigen Ausgabe der ABB Technik näher behandelt. Software von ABB ist überall 11

12 Eine parallele Zukunft Die Rolle der Software für die Entwicklung der nächsten Generation von Echtzeit- Controllern Michael Wahler, Sascha Stoeter, Manuel Oriol, Martin Naedele, Atul Kumar Speicherprogrammierbare Steuerungen (SPS) wurden ursprünglich entwickelt, um ganze Batterien von fest verdrahteten Relais zu ersetzen. Heute spielen hoch entwickelte digitale Controller eine wesentliche Rolle als integraler Bestandteil von Automatisierungs- und Energieversorgungssystemen. Jüngste Innovationen auf dem Gebiet der CPU- und Netzwerktechnik eröffnen neue Möglichkeiten wie softwarebasierte Fehlertoleranz und Echtzeit-Datenanalysen für zukünftige parallelisierte Echtzeit-Controller. Bevor dieses Potenzial jedoch genutzt werden kann, gilt es, viele Herausforderungen zu bewältigen. ABB Corporate Research arbeitet aktiv an der Gestaltung der Zukunft von Echtzeit-Controllern und befasst sich mit Fragen der Deterministik, Flexibilität, Skalierbarkeit und sequentiellen Algorithmen. 12 ABB technik 3 12

13 S peicherprogrammierbare Steuerungen (SPS) haben einst fest verdrahtete Steuerrelais abgelöst 1. Doch heutige SPS gehen weit über ihren ursprünglichen Zweck hinaus und müssen viel mehr sein als der Ersatz für die Relaislogik, als der sie ursprünglich konzipiert wurden. Geboren aus einer zunehmenden Produktdiversität und immer kürzeren Innovationszyklen, entwickeln sich SPS stetig weiter, während ihre Fähigkeiten um neue Technologien ergänzt werden. Das Ergebnis sind eine höhere Flexibilität und Zuverlässigkeit. Mit ihrer Fähigkeit, Geräte und Prozesse direkt zu steuern, bilden SPS die Grundlage für Fernwirk- und Datenerfassungssysteme (SCADA), Prozessleitsysteme (PLS) und programmierbare Auto matiksteuerungen (PACs). Diese industriellen Leitsysteme gibt es bereits seit mehreren Jahrzehnten in verschiedenen Varianten, die sich aufgrund der sehr spezifischen Geschäftsanforderungen und technologischen Möglichkeiten zum Zeitpunkt ihrer Einführung entwickelt haben. Größere Fertigungsprozesse mit vielen Teilkomponenten werden von einem PLS gesteuert. Das gesamte System profitiert von einem Datenaustausch, der digital zwischen den Knotenpunkten des Systems übermittelt werden kann. Diese Kommunikation ermöglicht unter anderem eine leistungsstarke Mensch-Maschine-Schnitt- 1 Im Artikel verwendete Abkürzungen Abkürzung Bedeutung COTS CPU PLS MMS ILS MPC PAC PID SPS RTU SCADA Commercial off-the-shelf Central Processing Unit Prozessleitsystem Mensch-Maschine-Schnittstelle Industrielles Leitsystem Model-predictive Control Programmable Automation Controller Proportional-Integral-Differential Speicherprogrammierbare Steuerung Remote Terminal Unit Supervisory Control And Data Acquisition stelle (MMS). Aufgrund des zunehmenden Einsatzes von kommerzieller Standardhardware (COTS) liegen die Unter scheidungsmerkmale von PLS zunehmend im Bereich der Software und des Service. Statt Prozesse zu steuern wie PLS, nehmen SCADA-Systeme eine übergeordnete Position ein. Sie unterliegen weniger Echtzeit-Beschränkungen und koordi nieren Prozesse. Ein PAC ist ein programmierbares Mikroprozessor-Gerät, das die Funktionen einer SPS mit einer größeren Flexibilität bei der Programmierung und einer engen Integration mit den anderen Teilen des PLS verbindet. PACs werden für die diskrete Fertigung, Prozes steuerung und Fernüberwachung eingesetzt. Mit zunehmender technologischer Entwicklung insbesondere der Fähigkeiten der Hardware, der Vernetzung und der Softwaresysteme verschwimmen die Grenzen zwischen den Systemen. Man geht davon aus, dass die Terminologie nur noch historische Bedeutung haben wird, während die Funktionalität immer weiter zusammenwächst. Viele dieser spannenden Entwicklungen werden an den Controllern selbst stattfinden. Sie bilden die wichtigste und notwendige Schnittstelle zwischen dem Prozess und den höheren Ebenen der Automatisierungspyramide. Die aktuellen Controllerfamilien von ABB bedienen alle Automatisierungsbereiche gleichermaßen. So erfordern manche Anwen dungen z. B. schnelle Zykluszeiten, während es bei anderen auf die Konnektivität ankommt. ABB bietet modernste Produkte für jede Anwendung. Die Zukunft der Controller In der Vergangenheit stieg die Leistungsfähigkeit mit jeder neuen Controllergene- ration. Eine Steigerung der Taktfrequenz der Zentraleinheit (CPU) wirkte sich direkt und positiv auf die Geschwindigkeiten der Anwendungen aus. Leider ist dies nun vorbei, da die Taktfrequenzen nicht mehr in dem gleichen Maße steigen wie zuvor [1]. Dies liegt unter anderem daran, dass höhere Frequenzen zu einer zusätzlichen Erwärmung führen, die aus dem Gerät abgeführt werden muss. Leider lassen die meisten Controller keine bewegten Teile (z. B. Lüfter) zu, wie sie für eine aktive Kühlung erforderlich sind. Folglich müssen geringere Taktfrequenzen verwendet werden als die CPU unterstützen würde. Ein weiterer Grund ist, dass die maximalen Taktfrequenzen vieler moderner CPUs abnehmen. Stattdessen bieten neue CPUs verschiedene Möglichkeiten zur parallelen Ausführung von Programmcode. So sind sie in der Lage, mehrere Dateneinheiten gleichzeitig (wie beim MMX-Befehlssatz des Pentium-Prozessors und seinen vielen Erweiterungen) oder auf mehreren Prozessorkernen (einschließlich Hyper-Threading) zu verarbeiten. Leistungssteigerungen zukünftiger Controller resultieren aus der Nutzung dieser parallelen Mechanismen, während die damit verbundene Komplexität für Automatisierungsingenieure verborgen bleibt 2. Herausforderung Skalierbarkeit Prozessleitanwendungen werden zurzeit ad hoc aufgebaut, wobei unabhängige Programme durch eine Kommunikationsschicht verbunden werden. Die Nutzung von Dual-Core- oder Quad-Core-CPUs ist relativ einfach und kann manuell erreicht werden, indem kleine Änderungen an der Software vorgenommen werden oder das Betriebssystem so konfiguriert wird, dass geeignete Prozesse zur parallelen Ver arbeitung auf mehrere Kerne verteilt werden. Angesichts der Verbreitung von Multi-Core-Prozessoren werden zukünftige Generationen von Controllern über eine variable Anzahl von Kernen und Hosts verfügen, was eine solche statische Zuordnung obsolet macht. Die Herausforderung besteht darin, die Software für eine beliebige Anzahl von Rechenressourcen zu skalieren, denn man geht davon aus, dass CPUs mit 128 Kernen oder dezen trale Systeme mit 1024 CPUs in eini gen Jahren Realität sein werden. Titelbild Komplexe Leitsysteme profitieren von paralleler Software. Eine parallele Zukunft 13

14 2 Vorgesehene Systemarchitektur für dezentrale Echtzeit-Controller Steuerungs-/Regelungsanwendungen ABB Echtzeit-Middleware CPU-Kern CPU-Kern Controller CPU-Kern CPU-Kern CPU-Kern CPU-Kern Controller CPU-Kern CPU-Kern Sicherer Echtzeit-Prozessbus Eine Lösung für die Herausforderung der Skalierbarkeit besteht darin, monolithische Regelungsanwendungen in kleinere Komponenten herunterzubrechen, die dann statisch auf den verfügbaren Rechen - ressourcen (Kerne und Hosts) ausgeführt werden [2]. Abhängig von der aktuellen Verfügbarkeit wählt eine Middleware ein geeignetes Kommunikationsprotokoll für jedes angeschlossene Komponentenpaar. Diese Lösung ist gar nicht weit hergeholt, denn sie entspricht bereits der Sicht eines Automatisierungsingenieurs auf eine Anwendung. So ist die Nutzung von Kontaktplänen und Funktionsbausteindiagrammen zur Erstellung von Steuerungsund Regelungsanwendungen gängige Praxis. Aus diesen Diagrammen ist ersichtlich, dass voneinander unabhängige Komponenten parallel ausgeführt werden können 3. Leider beschränken sich bisherige CPU-Generationen darauf, Programme streng schrittweise, d. h. einen Schritt nach dem anderen, auszuführen. Daher muss die derzeitige Technologie die von Natur aus parallelen Diagramme in sequen tiellen Code umwandeln, was schwierig ist und zusätzlichen Rechenaufwand bei der Ausführung erfordert. Bei einer parallelen Ausführung können parallele Zweige im Funktionsdiagramm genutzt und Systeme schlanker gehalten werden. Herausforderung Deterministik Deterministik ist die Eigenschaft eines Systems, sich auf eine vorhersehbare Weise zu verhalten. Wenn ein Controller denselben Input erhält, wird erwartet, dass er jedes Mal gleich reagiert. Mit Multi-Core-Prozessoren ist dies schwer zu garantieren. Die Gründe hierfür sind Kontextwechsel, Caching-Verhalten und Auf- gabensynchronisation. Moderne Echtzeit- Leitsysteme nutzen Betriebssystemmechanismen wie Prozesse, Mutexe oder Nachrichtenwarteschlangen, um gleichzeitig mehrere Steuerungs- bzw. Regelungsanwendungen auszuführen. Solche Mechanismen bieten Entwicklern ein hohes Maß an Freiheit, sind aber häufig schwierig zu handhaben, da sie mit einem Laufzeitzuwachs (z. B. Kontextwechsel zwischen Threads) verbunden sind und häufig eine langwierige und kostspielige Feinabstimmung (z. B. von Prozess- und Threadprioritäten) erfordern. Zudem wird eine Wiederverwendung häufig durch die enge Kopplung der Software an eine bestimmte Hardware oder andere Software erschwert. Durch den Einsatz eines Softwarearchitektur- und Ausführungsframeworks für zyklische Steuerungs- und Regelungsanwendungen lässt sich die Erstellung von Echtzeit-Leitsystemen vereinfachen. Gleichzeitig werden die Vorhersehbarkeit verbessert und der Laufzeitzuwachs und die Kopplung an die Hardware verringert [3]. Herausforderung Flexibilität Bei der begrenzten Rechenleistung von Single-Core-Prozessoren sind zuverlässig deterministische Systeme häufig statisch, d. h. sobald sie einmal konfiguriert und in Betrieb genommen wurden, laufen sie bis zu ihrem Lebensdauerende. Änderungen können nur in Wartungsfenstern umgesetzt werden, die vielleicht nur einmal im Jahr vorgesehen sind. Dies steht im deutlichen Gegensatz zu den Anforderungen der Realität, da Anlagen in der Regel wachsen und sich weiter entwickeln. Die Produktion wird zunehmend flexibler bis hin zur individualisierten Massenfertigung. Gleichzeitig müssen sich Regelungsalgorithmen über die Lebensdauer eines Controllers weiterentwickeln. Patches gegen neu entdeckte Sicherheitsbedrohungen werden ständig herausgegeben und müssen schnell in das Leitsystem integriert werden. Die Forschungsfrage lautet daher: Lassen sich Leitsysteme entwickeln, die sowohl flexibel als auch deterministisch sind? Erste Forschungsergebnisse zeigen, dass dies möglich ist [4]. Mithilfe neuer Softwarearchitekturen wird es möglich sein, Leitsysteme im laufenden Betrieb zu rekonfigurieren und sie an sich verändernde Umfelder anzupassen. Man stelle sich vor: Controllermigration mit null Ausfallzeit, jeden Tag aktualisierte Software bzw. Leitsysteme, die sich einfach an sich verändernde Bedürfnisse anpassen. Herausforderung sequentielle Algorithmen Regelungsalgorithmen wie PID (proportional-integral-differential) oder MPC (modell prädiktive Regelung) werden durch mathematische Formeln beschrieben. In den vergangenen Jahrzehnten wurde viel Forschungsaufwand in die Entwicklung und Optimierung von Implementierungen dieser Algorithmen investiert. Dank dieser Bemühungen können auf heutigen Systemen selbst rechnerisch komplexe Algorithmen wie MPC innerhalb von Mikrosekunden ausgeführt werden. Weitere Verbesserungen bei den Regelungsalgorithmen werden sich zwangsläufig durch die Parallelisierung ergeben. Die Herausforderungen hierbei sind klar: Welche Teile der Algorithmen, die bisher immer sequentiell ausgeführt wurden, können parallel ausgeführt werden? Wie kann der Datenzugriff für parallele Zweige des Programmcodes optimiert werden? 14 ABB technik 3 12

15 3 Beispiel einer Steuerungsanwendung mit parallelen Zweigen Temperature (1) RealO 155:1 AnalogInCC Name AnalogInput TIC55 TIC55:2 PidCC NameOut Pressure (1) RealO Multiplier:3 MultiplierFB in out1 out2 Out TV 3.0 Pv P55:4 AnalogInCC Name AnalogInput Out add(1):5 Track(1) add bool IN1 IN2 IN3 PidCC_2:6 PidCC Name Out Sp VoteOut Pv Feedforward VotedCmd Track TrackValue V55:7 AnalogOutCC Name AnalogOutput In Valve(1) RealO Bei ABB arbeiten Regelungstheoretiker und Informatiker intensiv an der Realisierung von leistungsstarken parallelen Implementierungen von Regelungsalgorithmen [5]. Chancen Das Gute ist, dass die Lösungen für die genannten Herausforderungen neue Möglichkeiten für zukünftige Controller eröffnen: Durch Konsolidierung der Hardware können Funktionalitäten auf ein- und derselben Hardware kombiniert werden. Gängige Praxis ist zurzeit die Verwendung separater Controller für bestimmte funktionale Anforderungen. Durch die größere Flexibilität zukünftiger Controller wird es möglich sein, ein breiteres Angebot von Funktionalitäten auf ein- und demselben physischen Gerät zu implementieren. Dies wird die Kosten von Leitsystemen senken. Multi-Core-Prozessoren können mehr Rechenleistung bei deutlich geringeren Taktfrequenzen bereitstellen als aktuelle Single-Core-Prozessoren. Sie sind leichter zu kühlen, sodass leistungsstarke Controller in kleine Formfaktoren passen werden. Durch die Nutzung von Hypervisorund entsprechenden Isolationstechnologien, die von modernen CPUs unterstützt werden, tragen integrierte Sicherheit und softwarebasierte Fehlertoleranz ebenfalls zur Hardwarekonsolidierung bei. Wissenschaftler von ABB arbeiten daran, durch intelligente Nutzung dieser Möglichkeiten mit der gleichen oder einer geringeren Hardwaremenge ein gleichwertiges oder sogar höheres Maß an Sicherheit und Fehlertoleranz zu erreichen. Indem ein Teil der Multi-Core-Verarbeitungsleistung für die Signierung und/ oder Verschlüsselung der Netzwerkkommunikation oder andere nebenläufige Sicherheitsüberprüfungen genutzt wird, kann eine höhere Cybersicherheit unterstützt werden. Dies ist wiederum eine wichtige Voraussetzung für erweiterte Funktionen wie Fernbetrieb oder PLS. Die Bedeutung der Cybersicherheit für industrielle Leitsysteme wird in einem anderen Artikel in diesem Heft behandelt [6]. Durch Nutzung des Leistungsvermögens paralleler Controller können zusätzliche Funktionalitäten bereitgestellt werden. Statt einer zeitaufwändigen Offline-Datenanalyse können z. B. gleichzeitig Daten in Echtzeit analysiert und Regelungsalgorithmen ausgeführt werden. Dies hilft dabei, die Prozess effizienz und die Lebensdauer der Ausrüstung durch bessere Überwachung und präventive Wartung zu optimieren. Außerdem kann die zusätzliche Rechenleistung von Multi-Core-CPUs genutzt werden, um die Genauigkeit von Regelungsalgorithmen (z. B. zur modellprädiktiven Regelung) zu erhöhen. Zusammenfassung In der Software liegt der Schlüssel zur Nutzung des inhärenten Leistungspotenzials von Multi-Core-CPUs. Durch Abrücken von einer hardwarezentrischen Entwicklung ist es möglich, zukünftige Engpässe zu überwinden und Controller zu bauen, die den stetig steigenden Anforderungen unserer Kunden entsprechend skalierbar sind. Michael Wahler Sascha Stoeter Manuel Oriol Martin Naedele ABB Corporate Research Dättwil, Schweiz Atul Kumar ABB Corporate Research Bangalore, Indien Literaturhinweise [1] Sutter, H. (2005): A fundamental turn toward concurrency in software. Dr. Dobb s Journal 30. Abgerufen am von drdobbs.com/architecture-anddesign/ [2] Oriol, M., Steiger, M., Stoeter, S., Vardar, E., Wahler, M., Koziolek, H., Kumar, A. (Juni 2012): FASA: A Scalable Software Framework for Distributed Control Systems. International Symposium on Architecting Critical Systems (ISARCS). Bertinoro, Italien [3] Richter, S., Wahler, M., Kumar. A. (2011): A Framework for Component-Based Real-Time Control Applications. 13th Real-Time Linux Workshop. Prag, Tschechische Republik [4] Wahler, M., Richter, S., Kumar, S., Oriol, M. (2011): Non-disruptive Large-scale Component Updates for Real-time Controllers. Workshops Proceedings of the 27th International Conference on Data Engineering, ICDE. Hannover, Deutschland: ( ) [5] Li, Z., Donde, V., Tournier, J., Yang. F. (Juli 2011): On Limitations of Traditional Multi-core Architecture and Potential of Many-Core Processing Architectures for Sparse Linear Solvers used in Large Scale Power System Applications. Beitrag zum IEEE Power Energy Society General Meeting. Detroit, USA [6] Obermeier, S., Stoeter, S., Schierholz, R., Braendle. M.: Cybersicherheit: Schutz von kritischen Infrastrukturen in einer sich verändernden Welt. ABB Technik 3/2012 Eine parallele Zukunft 15

16 16 ABB technik 3 12

17 Brückenschlag für Kundenbedürfnisse Eingebettete Regelungsprogramme von ABB-Niederspannungs-Frequenzumrichtern liefern die Grundlage für eine Brückenregelungsanwendung Mikael Holmberg Die eingebetteten Regelungsprogramme von ABB Industrial Drive-Frequenzumrichtern bieten eine kostengünstige und anwendungsspezifische Lösung für viele gängige Antriebsanwendungen. Von allgegenwärtigen Pumpen und Lüftern bis hin zu spezielleren Anwendungen wie Krane und Winden sorgen sie nicht nur dafür, dass die Antriebe die richtige Sprache sprechen, sondern auch die integrierten Funktionalitäten bieten, die zur Erfüllung der gängigsten Kundenanforderungen erforderlich sind. Diese Anwendungen sind das Ergebnis der langjährigen Erfahrung, die ABB in Zusammenarbeit mit Kunden in einer Vielzahl von Steuerungs- und Regelungsanwendungen gesammelt hat. In manchen Fällen liefern eingebettete Regelungsprogramme selbst die Grundlage für neue Lösungen zum Beispiel als ABB damit beauftragt wurde, eine Lösung für eine Brückenregelung bereitzustellen. D ie Regelungsanforderungen von beweglichen Brücken haben vieles mit denen von Materialhandhabungsanwendungen wie Krane und Winden gemeinsam. Daher stellte das vorhandene Kranregelungsprogramm von ABB einen idealen Ausgangspunkt dar. Das für die Industrial Drive-Frequenzumrichter der Reihe ACS800 1 entwickelte Kranregelungsprogramm ermöglicht eine stufenlose Drehzahl- und Drehmomentregelung für das Hubwerk, die Laufkatze und die Fahrbewegungen und wird eingesetzt für: Industriekrane, hauptsächlich elektrische Deckenlaufkrane (EOT-Krane) 2 Hafenkrane 3 Turmdrehkrane Schwimm- und Deckkrane Die Frequenzumrichter mit dem Kranregelungsprogramm können entweder im Einzel- oder im Master-Follower- Modus betrieben werden. Im Einzelmodus dient der Antrieb einfach zur Titelbild Eine typische bewegliche Brücke, die von Frequenz umrichtern und dem Brückenregelungssystem von ABB profitieren kann. Brückenschlag für Kundenbedürfnisse 17

18 Die eingebetteten Regelungsprogramme von ABB Industrial Drives bieten eine kostengünstige und anwen dungsspezifische Lösung für viele gängige Antriebs anwendungen. 1 Niederspannungs-Frequenzumrichter der ACS800-Serie von ABB unab hängigen Regelung der Kranbewegungen. In einer Master-Follower-Anordnung sind mehrere Frequenzumrichter miteinander verbunden, wobei einer als Master fungiert. Dies ermöglicht die Koor dination und Lastverteilung zwischen verschiedenen Motoren inner halb eines Systems. Diese Konfiguration kann im Drehzahl-Drehzahl-, Drehzahl-Drehmoment- oder Drehzahl-Synchro-Modus betrieben werden. Die Funktionsprogrammierung ermöglicht eine Umschaltung zwischen Master-, Follower- oder Standby-Modus. Das bedeutet, dass die Master- und Follower-Funktionen nicht fest zugewiesen sind, sondern einfach mit einem Wahlschalter umgeschaltet werden können. Auf diese Weise wird eine hohe Redundanz für die Krananwendung erreicht. Pendelregelung Das Pendelregelungsprogramm für Hallenkrane mit ABB-Frequenzumrichtern ist eine integrierte Lösung zur Verhinderung von Lastschwingungen. Das Programm schätzt die Zeitkonstante des Hubwerks durch kontinuierliche Messung der Position und der Lasteigenschaften und errechnet die Kompensationsdrehzahl für die Fahr- und Laufkatzenbewegung unter Berücksichtigung der Geschwindigkeit und des Winkels der Schwingung. Da die Pendelbewegung vom eingebetteten Pendelregelungsprogramm errechnet wird, sind keine externen Sensoren erforderlich. Eine wirksame Lösung mit weniger Bauteilen kommt wiederum dem Kunden zugute. Von der Kran- zur Windenregelung Wenn es um die Anforderungen an die Antriebs regelung geht, haben Schiffswinden viel mit Kranen gemein. Die Frequenzumrichter der Reihe ACS800 mit Zulassung für die Schifffahrt stellten die ideale Hardwareplattform und das Kranregelungsprogramm den perfekten Ausgangspunkt für die Entwicklung eines Winden regelungsprogramms dar, da sie bereits alle normalerweise für Winden anwendungen erforderlichen Funktionen beinhalten. Das Regelungsprogramm wird vornehmlich für Ankerwinden, Mooringwinden (Auto mooring), Winden für Roll-on-Roll-off-Rampen, Schleppwinden und Forschungswinden eingesetzt 4. Das Windenregelungsprogramm bietet integrierte Funktionen, die herkömmliche und kostspielige hydraulische Windenregler ersetzen. Dadurch entfallen hohe Wartungskosten und Leistungsschwächen bei einer gleichzeitigen Erhöhung der Zuverlässigkeit des Gesamtsystems. Der Frequenzumrichter selbst ersetzt Schütze und andere Niederspannungsprodukte, die zum direkten Einschalten von Windenmotoren erforderlich sind. Stattdessen fährt der Frequenzumrichter den Motor sanft auf die richtige Drehzahl bzw. das richtige Drehmoment hoch, was die Auswirkungen auf das elektrische Netz des Schiffs während des Windenbetriebs mindert. Die Ankerregelung ist ein hervorragendes Beispiel für die integrierten Schutzfunktionen des Windenregelungsprogramms. Dazu gehört die Schlupferkennung, die eine hohe Last an der Kette erkennt, wenn diese beim Heben des Ankers hängen bleibt. Solch hohe Lasten verursachen einen Drehzahlunterschied zwischen der Windentrommel und der Motorwelle, wodurch ein Lastschalter aktiviert wird. Die Drehzahl bzw. das Drehmoment des Windenmotors wird sofort auf einen vom Windenhersteller festgelegten Wert gesenkt. Dadurch wird eine Beschädigung der Motorwelle, Windentrommel oder Kupplung zwischen Trommel und Motor verhindert. Drehmomentregelung die gemeinsame Anforderung Alle genannten Kran- und Windenregelungsanwendungen erfordern eine äußerst präzise und leistungsstarke Drehmomentregelung. Der Schlüssel für den Erfolg der eingebetteten Regelungsprogramme von ABB-Frequenzumrichtern ist die patentierte Motorregelungsplattform Direct Torque Control (DTC) 5. Diese bietet die Leistungsfähigkeit und die Schutzfunktionen, die von Materialhandhabungsanwendungen gefordert werden. Im Gegensatz zu herkömmlichen AC- Antrieben, die die Spannung und Frequenz als Regelgrößen nutzen, verwendet die DTC den Motorfluss und das Drehmoment als primäre Regelgrößen. Dies ermöglicht eine präzise Regelung der Drehzahl und des Drehmoments mit und ohne Rückmeldung durch einen Impuls geber an der Motorwelle. Ein bedeutender Vorteil der DTC ist, dass der Antrieb das volle Drehmoment bei Dreh- 18 ABB technik 3 12

19 2 Kran zur Abfallhandhabung zahl null erreichen kann, ohne dass eine Geberrückführung erforderlich ist. An Bord von Schiffen kann der Einsatz einer Geberrückführung problematisch sein, da die rauen Bedingungen an Deck den Drehgeber beschädigen oder das Rückführsignal stören können. Darüber hinaus bietet die DTC eine außer ordentlich schnelle Reaktionszeit von 25 µs im Regelkreis zwischen der Anwendung (z. B. Kran oder Winde) und der im Frequenzumrichter eingebetteten Motorregelung. Dies ist ungefähr zehnmal schneller als die typische Reaktionszeit einer herkömmlichen Flussvektorregelung. Industrial Drive der vorhandene Motor weiterverwendet werden, wobei nur eine der drei Motorwicklungen vom Frequenzumrichter genutzt wird. Dadurch werden die Modernisierungskosten und Ausfallzeiten erheblich reduziert. In Kombination mit den eingebetteten Rege lungsprogrammen bietet die DTC dem Kunden die Möglichkeit zur Spezifikation eines einzigen Produkts, bei dem die Regelungslösung bereits eingebaut ist. Andere Komponenten sind nicht erforderlich, was die Gesamtsystemkosten senkt und die Zuverlässigkeit durch Verringerung der möglichen Fehlerpunkte erhöht. Integrierte Anwendungssoftware bietet Kunden Lösungen, die die Anforde rungen vieler verschiedener Installationen erfüllen und gleich zeitig die Sprache ihrer eigenen spezifischen Anwendung sprechen. Die Tatsache, dass die DTC mit einer breiten Palette von Motoren eingesetzt werden kann, trägt bei der Umstellung von älteren Regelungsmethoden zur Senkung Durch die adaptive Programmierung bietet die eingebettete Software dem Nutzer die Möglichkeit, externe Steuerlogik zu integrieren, neue Funktionen zu erstellen oder vorhandene Logik zu modifizieren. der Nachrüstkosten bei. So kann bei der Nachrüstung einer Schiffswinde mit drei Gängen/Motorwicklungen mit einem ABB DTC Herzstück des Brückenregelungssystems Aufbauend auf der umfangreichen Erfahrung aus den Kran- und Windenregelungsprogrammen entwickelte ABB eine Regelungsanwendung für bewegliche Brücken unter Verwendung von Industrial Drive- Frequenzumrichtern. Die Frequenzumrichter speisen die Elektromotoren zum Antrieb der Fahrbahn bzw. des Bewegungsmechanismus und steuern die mechanischen Scheiben- bzw. Trommelbremsen der Brücke. Brückenschlag für Kundenbedürfnisse 19

20 In Kombination mit den eingebetteten Regelungsprogrammen bietet die DTC dem Kunden die Möglichkeit zur Spezifikation eines einzigen Produkts, bei dem die Regelungslösung bereits eingebaut ist. Das senkt die Gesamtsystemkosten und erhöht die Zuverlässigkeit durch Verringerung möglicher Fehlerpunkte. 3 Hafenkran mit Greifer Die ABB-Frequenzumrichter werden zunehmend für eine Vielzahl beweglicher Brücken, entweder für Neubauten oder im Rahmen von Modernisierungs- und Sanierungsprogrammen eingesetzt und sind dabei, hydraulische Antriebe oder DC- Antriebe mit Gleichstrommotoren zu ersetzen. Die Frequenzumrichter ermöglichen eine stufenlose, variable Drehzahl- und Drehmomentregelung der Elektromotoren zum Heben oder Drehen der Fahrbahn über einen breiten Betriebsdrehzahl- und Lastbereich hinweg. Sie sind in der Lage, die Drehzahl eines AC-Motors zu regeln, wenn dieser vorwärts oder rückwärts angetrieben oder überholt wird, z. B. wenn eine schwere Klapp- oder Hubbrücke abgesenkt wird. Zusammen mit der DTC sorgt das Regelungsprogramm für eine genaue Drehzahl- und Drehmomentregelung mit und ohne Geberrückführung von der Motorwelle und ermöglicht die präzise Regelung bei niedrigen Drehzahlen mit hohem Drehmoment, die für Brückenanwendungen unentbehrlich ist. Brückenregelungsanwendungen Bei einer beweglichen Brücke, bei der mehrere Frequenzumrichter mit demselben System verbunden sind, kann die Master-Follower-Anordnung genutzt werden. Sie ermöglicht die Koordination und Lastverteilung zwischen verschiedenen Motoren innerhalb des Systems. Andere Arten von beweglichen Brücken hingegen erfordern ein synchronisiertes Heben. Bei Brückenanwendungen gibt es zwei gängige Master-Follower-Regelungsmethoden: Follower im Drehmomentregelungsmodus Wenn zwei Motoren über eine mechanische Welle miteinander verbunden sind, z. B. wenn die gegenüberliegenden Seiten einer Brücke von zwei Motoren gleichzeitig angehoben werden, arbeitet der Master-Antrieb drehzahlgeregelt. Dies bestimmt, wie schnell sich die Brücke hebt oder senkt. Der Follower arbeitet drehmomentgeregelt, was dazu führt, dass die Last exakt zwischen Master und Follower aufgeteilt wird. Follower im Synchro-Modus Sind die beiden Motoren nicht miteinander verbunden, z. B. wenn die Brücke so konzipiert ist, dass die Motoren beim Heben und Senken der Brücke unabhängig voneinander, aber gleichzeitig arbeiten, ist der Master drehzahlgeregelt. Dies bestimmt, wie schnell sich die Brücke hebt und senkt. In diesem Fall arbeitet der Follower im Synchro-Modus, um ein symmetrisches Heben zu ermöglichen. Dies bedeutet, dass die beiden Teile der Brücke so synchronisiert werden, dass sie sich gleichzeitig und um den gleichen Winkel heben. Symmetrisches Heben mit Synchro-Regelung Häufig müssen die Antriebe auf beiden Seiten der Brücke beim Heben der Brücke perfekt synchronisiert sein. Um die dazu erforderliche Genauigkeit zu gewährleis- 20 ABB technik 3 12

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