Industrielles Wägen. Wägedaten in Prozesse integrieren Industrielles Wägen

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1 Industrielles Wägen Wägedaten in Prozesse integrieren Industrielles Wägen Die effiziente Übertragung von Wägedaten an übergeordnete MES- oder ERP-Systeme führt zu transparenteren Fertigungsprozessen und in der Folge zu einer besseren Nutzung der Vermögenswerte, Senkung der Betriebskosten und Vereinfachung der Einhaltung von Zertifizierungsstandards oder Industrievorschriften. Insbesondere bei älteren Herstellungsverfahren gestaltet sich die Ermittlung und Realisierung des effektivsten Systems zur Datenerfassung und -integration möglicherweise schwierig. Dieses Dokument untersucht die Herausforderungen, die sich bei der Wägeprozessintegration ergeben und liefert wichtige Aspekte, die es bei der Festlegung von Betriebsgrenzen und Zielsetzungen der Datenintegration zu berücksichtigen gilt. Wird diesen Aspekten Rechnung getragen, ist die Wahrscheinlichkeit gross, dass die gewählten Wäge- und Kommunikationslösungen die Zielsetzungen erfüllen und messbare Renditen erzeugen. Inhalt 1 Definition der Herausforderungen bei der Datenintegration 2 Festlegung der Zielsetzungen der Datenintegration 3 Bewertung von Datenintegrationslösungen 4 Vorschlag bewährter Verfahrensweisen 5 Fehlerbehebung in der Datenkommunikation 6 Zusammenfassung 7 Weitere Informationen

2 1 Definition der Herausforderungen bei der Datenintegration Die effektive Integration von Wägedaten in automatisierte ERP-/MES-Systeme stellt die Hersteller vor folgende Herausforderungen: Geschwindigkeit Die Fähigkeit, während zeitkritischer Anwendungen (wie hochpräziser Abfüllung) zuverlässige, «gefilterte» Wägedaten an ein übergeordnetes Automatisierungssystem zu übertragen, so dass Produktionsanpassungen vorgenommen werden können. Flexibilität Die Fähigkeit, Informationen zu übertragen, die die Wägegenauigkeit, den Materialeinsatz und die Produktionsraten beeinflussen wie Produkt-ID, Zielgewicht, Taragewicht, Waagenstatus, Bedienerund Fehlermeldungen. Kosten Die Fähigkeit, Lösungen einzusetzen, die Daten von verschiedenen Waagen in ein einziges Automatisierungssystem integrieren. Geräteeinschränkungen Einsatz von neuen oder Ersatz von Geräten durch neue Steuerungskomponenten, die eine Automatisierung ermöglichen Raue Bedingungen Hochdruckreinigung; explosionsfähige/korrosive Umgebungen; starke Vibrationen; elektromagnetische Interferenzen und/oder extreme Temperaturen. Eine sachkundige Bewertung der Bedingungen, unter denen ein Wägesystem betrieben werden soll, ohne Beeinträchtigung der Genauigkeit oder der Kommunikation mit dem übergeordneten System, kann bei der Festlegung der Betriebsgrenzen helfen. Anhand dieser und der Zielsetzungen der Datenintegration kann dann die optimale Wäge- und Datenkommunikationslösung gewählt werden. 2 Festlegung der Zielsetzungen der Datenintegration Vor der Auswahl eines Wägeterminals/Kommunikationssystems muss eine Bewertung der Zielsetzungen der Datenintegration erfolgen. Typische Fragen, die es zu beantworten gilt, sind: Welche Art der Information wird zwischen dem Wägeterminal und dem Automatisierungssystem übertragen? Wer oder was benötigt die Daten und warum? Wodurch wird eine Datenübertragung ausgelöst und wie häufig findet Kommunikation statt? Welche Datenformatanforderungen bestehen momentan? Sind diese verhandelbar? Welches Kommunikationsmittel ist vorhanden? Ist es verhandelbar? Einige dieser Fragen sind strategischer Natur: Welche Art der Information wird von wem und zu welchem Zweck benötigt? Wurden diese Fragen beantwortet, können die verbleibenden Lösungen im Hinblick auf Leistungssteigerung sondiert werden. Damit steigt die Wahrscheinlichkeit, dass die endgültige Lösung sich nachweislich und kurzfristig amortisiert. 2 METTLER TOLEDO - White Paper - Wägedaten in Prozesse integrieren

3 3 Bewertung von Datenintegrationslösungen Bei einer SPS-Steuerung kann die Busschnittstelle die Spezifikationen des Wägesystems beeinflussen. Die Auswahl der SPS-Netzwerkanbindung erfolgt auf der Basis von Faktoren wie dem Bustyp des Herstellers des Automatisierungssystems, der Anzahl der möglichen Knoten, den Gerätetypen/der Menge der netzwerkfähigen Daten, der gewünschten Datenübertragungsrate und dem Projektbudget. Anbieter von Automatisierungsgeräten vergleichen nur die Vor- und Nachteile verschiedener Netzwerkanbindungen. Das richtige Wägeterminal bietet folgende Möglichkeiten: Hochladen von Zielgewichtsdaten in das Wägeterminal Erfassung von Kalibrierinformationen und/oder die Kalibrierung über ein SPS-Programm Waagen-Tracking-Statistik Faktoren wie die Präzision des Gesamtprozesses und die Abfüllgeschwindigkeit legen zusammen mit der gewählten SPS-Netzwerkanbindung fest, welche Art von Terminal und Schnittstelle erforderlich ist. Wenn keine SPS-Datenintegration notwendig ist, ist die PC-basierte serielle oder Ethernet-TCP/IP-Datenkommunikation eine Alternative. Ethernet-TPC/IP-Systeme sind zur drahtlosen Datenübertragung besser geeignet als SPS-Systeme. OPC-Schnittstellen können Wägedaten über einen OPC-Server an andere OPC-fähige Anwendungen übertragen. OPC stellt ein standardisiertes Datenformat zur Verfügung, das die Integrations- und Supportkosten senkt, die Systemkomplexität minimiert und die Entwicklung industrieller Automatisierungsprojekte beschleunigt. Nachfolgend ein allgemeiner Vergleich etablierter SPS- und PC-basierter TCP/IP-Systeme von METTLER TOLEDO. METTLER TOLEDO IND131-Terminal zur DIN-Schienenmontage Übertragungsmethode Basiswägedaten über serielle oder Ethernet TCP/IP-Schnittstelle Basiswägedaten über 4-20mA- oder 0-10V-DC-Signal Wägedaten über SPS-Feldbus, z.b. EtherNet/IP, Profibus DP Anforderungen/Einschränkungen Standardterminaldatenformat wird vordefiniert, damit begrenzte Anzahl von Datensätzen «Druckvorlage» ist im Wägeterminal gespeichert und wird an externe Hardware übertragen OPC-Server überträgt Wägedatenformat Eingeschränkte analoge Übertragung von Gewicht und/oder Rate Für Funktionen wie Nullstell- oder Druckbefehle ist eine separate Kommunikation zwischen Steuerungssystem und Wägeterminal erforderlich SPS-Hardware/-Programm zur Datenintegration erforderlich SPS-Schnittstellenfähigkeiten begrenzen die Grösse der Datenpakete/ Übertragungsinhalte 3 METTLER TOLEDO - White Paper - Wägedaten in Prozesse integrieren

4 4 Vorschlag bewährter Verfahrensweisen Bewährte Verfahrensweisen zur Integration von Wägeterminals in übergeordnete Systeme folgen den Empfehlungen der Anbieter von Automatisierungstechnik. Es ist in diesem Dokument nicht möglich, bewährte Verfahrensweisen für jede Art von Automatisierungsnetzwerk zu liefern, im Folgenden wird auf verschiedene bewährte Verfahrensweisen bei der Implementierung Ethernet-basierter Netzwerke wie EtherNet/IP, Modbus TCP oder ProfiNet eingegangen. Industrielles versus Büronetzwerk Der Aufbau eines industriellen Netzwerks erfordert andere Überlegungen als der eines Büronetzwerks. Der Datenverkehr, der während der Programmierung, Konfiguration und Diagnose von EtherNet/IP -Geräten sowie während des Austauschs nicht zeitkritischer Daten entsteht, ist normalerweise sporadischer Datenverkehr mit einer niedrigen Datenrate. In Fertigungsprozessen besteht der Datenverkehr bei zeitkritischem Datenaustausch hauptsächlich aus UDP/ IP-Unicast- und Multicast-Paketen. IP-Multicast-Datenverkehr in einem EtherNet/IP-Netzwerk ist kontinuierlicher Kurzpaket-Datenverkehr mit einer hohen Datenrate. Wird ein untergeordnetes EtherNet/IP-Netzwerk an ein Firmennetzwerk angebunden, muss die kontinuierliche Übertragung von Multicast-Paketen blockiert werden. Während ein kontinuierlicher Informationsfluss vom untergeordneten Netzwerk zur Wägeoptimierung zunächst wünschenswert sein mag, kann es zu einer Multicast-Datenüberlastung kommen, die die Leistungsfähigkeit des Netzwerks insgesamt beeinträchtigt, wenn sie nicht gemanagt wird. Optimierung des industriellen EtherNet/IP Rockwell Automation hat die folgenden Empfehlungen herausgegeben, um die Netzwerkleistung mit EtherNet/ IP zu optimieren. Wählen Sie, wann immer möglich, Unicast-EtherNet/ IP-Kommunikation. Unicast I/O für EtherNet/IP ermöglicht eine direkte Punkt-zu-Punkt-Kommunikation zwischen zwei Geräten eines Netzwerks. Diese Kommunikation ist effizienter, wenn I/O-Daten nicht von mehreren Geräten gemeinsam genutzt werden müssen. Weitere Informationen über Unicast- versus Multicast-Kommunikation können der ODVA-Veröffentlichung 70, «Recommended Functionality for EtherNet/IP Devices» entnommen werden, die über die am Ende dieses Dokuments aufgeführten Links zugänglich ist. Minimieren Sie die Gerätebelastung bei unerwünschtem IP-Multicast-Datenverkehr. In Abhängigkeit der Konfiguration des untergeordneten Netzwerks und der Gerätekonnektivität kann dieses Ziel mit gemanagten Ethernet-Switches erreicht werden, die virtuelle LANs (VLANs) und IP-Multicast-Routing unterstützen. Minimieren Sie die Switch-Belastung bei unerwünschtem IP-Multicast-Datenverkehr. Setzen Sie gemanagte industrielle Vollduplex-Netzwerk-Switches mit folgenden Fähigkeiten ein: IGMP (Internet Group Multicast Protocol)-Snooping, Portspiegelung, VLAN- Setup, SNMP-Statistikinformationen, IP-Adressenunterdrückung, automatische Wiederherstellung von Konfigurationen, Broadcast/Multicast Storm Control, Spanning Tree Protocol und Frame-Priorisierung. 4,000 3,500 3,000 Lieferungen von Ethernet-basierten Geräten (Geräte in Tausend) 2008 ARC Advisory Group 2,500 2,000 1,500 1, Die Beliebtheit Ethernet-basierter Geräte wird durch höhere Geschwindigkeit, Bandbreite, gemeinsame Komponenten und einfache Installation erhöht. 4 METTLER TOLEDO - White Paper - Wägedaten in Prozesse integrieren

5 Minimieren Sie die Netzwerkbelastung bei unerwünschtem IP-Multicast-Datenverkehr / Blockieren Sie den IP-Multicast-Datenverkehr im untergeordneten EtherNet/IP-Netzwerk und verhindern Sie die Übertragung an das übergeordnete Firmennetzwerk. Netzwerkkabelanschlüsse in Schutzart IP67 und mit erhöhter Temperaturbeständigkeit von bis zu 80 ºC werden beim Aufbau industrieller Netzwerke bevorzugt. In Umgebungen mit starken Störeinflüssen müssen CAT6- oder CAT6a-geschirmte Industriekabel eingesetzt werden. In einigen Fällen können geerdete 5 Fehlerbehebung in der Datenkommunikation Die Fehlerbehebung in der Datenkommunikation eines Wägeterminals und Automatisierungssystems ist von der verwendeten Kommunikationsmethode abhängig. Für die serielle oder EtherNet-TCP/IP-Kommunikation mit einem PC kann durch die einfache Anbindung einer PC-Applikation wie HyperTerminal der Transfer unaufbereiteter Gewichtsdaten über die Kommunikationsschnittstelle des Terminals geprüft werden. Die Fehlerbehebung in Ethernet-Netzwerken ist normalerweise in folgende Hauptbereiche gegliedert: Netzwerkmedien (Verkabelung, Stecker, Netzwerkschnittstellenkarten), Softwareeinstellungen/Netzwerkkonfiguration Netzwerksignalleistung Eine Vielzahl von Messgeräten wie TDR (Time Domain Reflectometer)-Geräte, tragbare Netzwerkanalysatoren Metallrohre elektrische Interferenzen minimieren. Eine entsprechende Erdung ist wichtig, um Rückkopplungen zu vermeiden, die Kommunikationsausfälle oder Signalstörungen verursachen können. Die Verwendung vom Hersteller bereitgestellter SPS-Bausteinbibliotheken oder anderen Integrationstools wie Rockwell Automation Add-on-Profiles (AOPs) und Add-on-Instructions (AOIs) kann die Integration von Geräten in ein Automatisierungsnetzwerk vereinfachen und Programmierfehler minimieren. und Kabelleistungsanalysatoren werden zur Fehlerbehebung in Netzwerkmedien eingesetzt. Bei SPS-basierten Anwendungen liefern einige Anbieter PC-basierte Simulationssoftware zum Anzeigen und Prüfen der vom SPS-Port eines Wägeerminals übertragenen Daten. Mit LEDs bestückte Kommunikationsplatinen bieten grundlegende Informationen hinsichtlich des Betriebsstatus. Parallel zum SPS-Anwendungsprogramm wird die direkte Signalausgabe bzw. Datenübertragung mittels der LED angezeigt und trägt damit massgeblich zur Fehlerbehebung bei. Die Fehlerbehebung in einem Wägeterminal kann auch über den Fernzugriff auf die Konfigurationsdatei, Fehlerprotokolle und Webseiten eines Terminals erfolgen, die den Diagnose- oder Betriebsstatus anzeigen. METTLER TOLEDO Wägeterminals IND560 5 METTLER TOLEDO - White Paper - Wägedaten in Prozesse integrieren

6 6 Zusammenfassung Die effiziente Übertragung von Prozessdaten an übergeordnete MES- oder ERP-Systeme kann in Kombination mit intelligenten Wägeplattform-/-system- Upgrades: die Steuerung des Fertigungsprozesses verbessern die Nutzung der Vermögenswerte optimieren die Betriebskosten senken eine messbare Rendite generieren Eine klare Zielvorgabe firmenintern oder mit Hilfe von Wägeprozessspezialisten stellt sicher, dass Hardware- und Softwareinvestitionen zu den beabsichtigten Prozessverbesserungen führen. Bei Angeboten zu System-Upgrades zu berücksichtigen sind: Prozessgeschwindigkeit (z.b. Hochgeschwindigkeitsabfüllung), die die Datenaustauschraten beeinflusst 7 Weitere Informationen Bestehendes Equipment und potenzielle Konnektivität Verfügbares Budget Schwierige Betriebsbedingungen wie Hochdruckreinigung, korrosive Chemikalien, explosionsgefährdete Bereiche und Extremtemperaturen die Daten selbst wer/was braucht sie, warum und in welchem Format? Ist SPS-Konnektivität erforderlich oder ist eine serielle oder Ethernet TCP/IP-Anbindung an den PC möglich? Schliesslich erfordert die Fehlerbehebung in Ethernet- Netzwerken die Kenntnis der Netzwerkmedien, der Konfiguration und der Signalleistung. Einige Anbieter liefern PC-basierte Simulationssoftware zur Prüfung der von einer SPS-Schnittstelle eines Wägeterminals übertragenen Daten. Die Anbieter selbst können durch Vergleiche verschiedener Wägeplattform- und Systemkommunikationslösungen Unterstützung bieten. Weitere Informationen über Kommunikationsmöglichkeiten, Datenformat und Feldbusnetzwerk-spezifische Anforderungen für die Wägeterminals von METTLER TOLEDO sind unter verfügbar. Die folgenden Links bieten allgemeine und anbieterspezifische Informationen, die zur Optimierung von Automatisierungsprozessen mit integrierter Wägung beitragen. Rockwell Automation Integrated Architecture Tools Rockwell Integrated Architecture Builder software ODVA DeviceNet Bibliothek tabid=73 ODVA EtherNet/IP Bibliothek tabid=76 Profibus/ProfiNet Network Analyzer Wire Shark Fluke Networks Kepware OPC Für weitere Informationen Deutschland Mettler-Toledo GmbH Industrial Ockerweg Giessen Tel Deutschland Mettler-Toledo Product Inspection Germany Division of Mettler-Toledo Garvens GmbH Kampstrasse Giesen Tel Schweiz Mettler-Toledo (Schweiz) GmbH Im Langacher Greifensee Tel Fax Österreich Mettler-Toledo GmbH Industrial Südrandstrasse Wien Tel Technische Änderungen vorbehalten 08/2011 Mettler-Toledo AG