White Paper Die künftige Rolle von Ethernet und der Trend zu dezentralen Steuerungslösungen

Transkript

1 White Paper Die künftige Rolle von Ethernet und der Trend zu dezentralen Steuerungslösungen Hier ist Zukunft: I4.0/IoT Die treibende Kraft hinter dem Fortschritt der Industrieautomation in den letzten zwanzig Jahren war die Vernetzung von Automatisierungsprodukten über Bussysteme. Die Bedeutung der industriellen Kommunikation in Maschinen und Anlagen wird immer größer und wird im Rahmen der jüngsten Industrie 4.0 Diskussion (Internet of Things) sogar exponentiell steigen. Gleichzeitig ermöglicht der Anschluss von (teilweise intelligenten) Front-End-Geräten, Sensoren und Aktuatoren ein dezentrales Networking anstelle der reinen Kommunikation auf Steuerungsebene. Helmut Deichert, Leiter Produktmanagement Elektrik Automation bei Festo, erläutert im Folgenden die künftige Entwicklung von Feldbus- und Ethernet-Lösungen und die Abkehr von der zentralen Vorverarbeitung und Parametrierung zugunsten einer verteilten Steuerungsintelligenz. Weitere Informationen zu Bussystemen und Steuerungstechnologie erhalten Sie ebenfalls von Helmut Deichert (Kontaktdaten S. 7).

2 Trends in aktuellen Produkt- und Marktentwicklungen Während die Verwendung von Bussystemen im vergangenen Jahrzehnt noch äußerst kritisch gesehen wurde, gelten Feldbusse heute als zentraler Bestandteil vieler Anwendungen und kommen in immer mehr Bereichen zum Einsatz. Installationssparende Lösungen mit Automatisierungsgeräten, die über eine Busverbindung verfügen, entsprechen dem neuesten Stand der Technik. Parallel dazu entsteht in der Front-End-Automation eine neue Kategorie leistungsstarker Produkte, welche den Weg zu mehr Effizienz und höherer Verfügbarkeit eröffnen. Pneumatische Automatisierungskonzepte und Ventil inseln sind hierfür die besten Beispiele. Diese Entwicklung spiegelt sich in neuen Trends und der zunehmenden Akzeptanz von Automatisierung in kritischen Anwendungen wider und bringt erhebliche Veränderungen im Design der Automatisierungskomponenten und -systeme mit sich. Industrial Ethernet vs. Feldbus Konkurrenten oder Partner? Die Feldbuskriege, die im vergangen Jahrzehnt zwischen zahlreichen herstellerspezifischen Bussystemen und offenen Systemen herrschten, machten eines deutlich: Die Entscheidung liegt beim Anwender. Die wichtigste Grundlage für diese Entscheidung ist die Performance, insbesondere der Anwendernutzen. Dabei war das primäre Kriterium nicht die Technologie, sondern die große Auswahl an Feldbusgeräten, die mit verschiedensten technischen Funktionen verfügbar waren und eine nahtlose Implementierung in die jeweilige Anwendung ermöglichten. Als Gewinner gingen somit eindeutig die offenen Feldbussysteme hervor. Die Anzahl der installierten Geräte ist mit über 50 Millionen Feldbusknoten riesig. Daraus ergibt sich für die Anwender die Notwendigkeit, die in Entwicklung und Know-how getätigten Investitionen abzusichern. Abb. 1: Die wichtigsten Kriterien bei Bussystemen: geringerer Platzbedarf in Schaltschränken, niedrigere Verdrahtungskosten Vor zehn Jahren wurde Industrial Ethernet mit der Idee einer weiteren Konsolidierung der Bus-Landschaft assoziiert. Gleichzeitig sollten die Anschaltkosten gesenkt, die Leistung gesteigert und IT-Leistungen auf die Feldebene verlagert werden. Es war ein verlockender Gedanke, mit einem Ethernet-System eine leistungsfähige Standardisierung der industriellen Kommunikation zu schaffen. 2

3 Wunsch Aktuelle Situalion Ein Industrial-Ethernet-Protokoll 5 relevante Industrial Ethernet Protokolle Verwendung der Hardware aus dem Consumer-und PC-Bereich führt zu einheitlichen, standardisierten Produkten Nicht eingetreten: pro System individuelle Hardware und Designs notwendig, wenig verwendbare Elektronik aus dem PC-Bereich Kostensenkung der Anschaltkosten pro Gerät durch hohe Stückzahlbündelung und kostengünstige Hardware. Vision: Industrial Ethernet im einzelnen Sensor/Aktuator Ziel verfehlt: Preiserhöhung der Anschaltkosten pro Knoten durch Stückzahlteilung, hochperformante Elektronik und individuelles Design Verwendung von IT-Leistungen im Front-End-Automatisierungsgerät bietet eine transparente Anbindung an übergeordnete Systeme und ermöglicht eine erhöhte Datenkommunikation Bislang nicht genutzt: IT-Leistungen werden meist erst ab der Steuerungsebene genutzt, wenige Projekte mit IT in der Feldebene Hochperformante Kommunikation hinsichtlich Datenvolumen, Geschwindigkeit und Synchronität ermöglicht die Integration von Motion-Control-Anwendungen in ein Netzwerk mit anderen Feldgeräten Ziel erreicht: Ausprägungen mit schneller und taktsynchroner Datenkommunikation in Koexistenz zur Standard-Kommunikation auf einem Bus Abb. 2: Aktuelle Situation Die ursprünglichen Ziele der Standardisierung der Kommunikationslandschaft durch den Einsatz von Industrial Ethernet wurden noch nicht erreicht. Die große Anzahl installierter Feldbussysteme und die hohen Kosten des Wechsels zum Industrial Ethernet verhindern derzeit, dass Feldbusse durch neue Systemansätze ersetzt werden. Industrial Ethernet. Entsprechende Anwendungen können auf ProfiNet IRT, EtherNet/IP, CIP Synch, EtherCat, Powerlink oder sogar Sercos III basieren. Die Diskussion um Industrie 4.0 (IoT) wird diese Potentziale weiter beflügeln. Es kristallisieren sich jedoch zunehmend neue Einsatzgebiete mit klaren Zielgruppen für Industrial Ethernet heraus. Infolge des Trends zu immer schnelleren Prozessen und Maschinentaktzeiten rücken Motion-Control-Anwendungen und die erforderlichen Peripherieprozesse immer näher zusammen. Daraus ergibt sich ein Potenzial für Modbus TCP Abb. 3: Festo-Lösungen für Industrial Ethernet 3

4 Prognose für die Zukunft Ein Großteil einfacher Anwendungen wird auch in Zukunft mit Feldbussystemen ausgerüstet sein. Komplexere Anwendungen, insbesondere mit hohem Motion-Control-Anteil, werden künftig eher auf Industrial Ethernet basieren. Hier gilt wiederum das Prinzip, dass der Benutzer die Migrations- und Investitionskosten sorgfältig berechnet und dann auf Grundlage des Nutzens (Preis-Leistungs-Verhältnis) für seine Anwendung über den Anteil von Industrial Ethernet und Feldbus entscheidet. Ein Miteinander der Systeme abhängig von unterschiedlichen Anwendungen und Kundenanforderungen scheint somit das wahrscheinliche Szenario zu sein. In letzter Zeit gibt es eine interessante Debatte über Industrie 4.0 und den zunehmenden Bedarf an horizontaler und was noch wichtiger ist vertikaler Integration von Geräten, Maschinen und Steuerungssystemen. In diesem Zusammenhang gilt OPC-UA als das am besten geeignete Datenformat für die Implementierung in vorhandene Ethernet-Netzwerke. Es gelten jedoch noch immer dieselben Argumente: Der Anwender muss die Vorteile dieser neuen Technologie stets gegen die Migrations- und Investitionskosten abwägen. Komplexität der Anwendung (Sensoren & Aktuatoren) Fabrikplanungssystem OPC-UA Unternehmenskommunikation Ind. EtherNet (z.b. ProfiNet, Ethernet/IP) Motion Control Antriebs-Bus (z.b. Sercos) 20% geschl. Regelung Vorverarbeitung 20% Analog Signale 90% Digital Signale I/O-Bus Fertigungs Feldbus (z.b. Profibus DP, Device Net) Kompaktmaschinen Handarbeitsplätze Automations- Zelle Maschinen Verknüpfte, stationsorientierte Maschinen Automatisierte Werke Industrie 4.0 komplett vernetzte Systeme Anlagen-/ Maschinenart (Dimension & Struktur) Abb. 4: Positionierung und Potenzial der verschiedenen Kommunikationssysteme Verteilte Steuerungsintelligenz in einem Netzwerk vs. Zentrale Vorverarbeitung und Parametrierung Grundidee und erster Schritt der Dezentralisierung mit Hilfe von Bussystemen war die Verlagerung der I/O der zentralen Steuerung vom Schaltschrank in dezentral angeordnete Klemmenkästen. Bald darauf etablierte sich die direkte Maschinenmontage der Remote I/O Einheiten. Die Ventilinseln von Festo mit ihrem hohen Schutzgrad IP 65/67 nahmen dabei eine Vorreiterrolle ein. In einem zweiten Schritt wanderten immer mehr SPS-Peripheriefunktionen in die Feldebene. Der als logische Konsequenz angesehene dritte Schritt bestand in der Verteilung von Steuerungssystem/SPS-Funktionen auf das Feld Das Netzwerk ist die Steuerung lautete einer der Slogans zu Beginn dieses Jahrzehnts. Dieser vielfach beschworene Trend etablierte sich jedoch nur in wenigen Anwendungen. Die meisten Anwender schreckten aufgrund der hohen Kosten für die Hardware der dezentralen Steuerlogik sowie für Entwicklung, Wartung und Management der Benutzerprogramme vor der Umsetzung zurück. Ein Aspekt der dezentralen Intelligenz hat sich jedoch durchgesetzt: Die Flexibilität der Automatisierungsgeräte erhöhte sich durch integrierte vorverarbeitende Funktionen. Beispiele hierfür sind parametrierbare Failsafe-Funktionen der Ausgänge, Ventile und Aktuatoren im Falle einer Kommunikationsunterbrechung des Bussystems oder auch software-parametrierbare Grenzwertüberwachungen für analoge Sensorik und Aktuatorik. Die Funktionsintegration hat sich somit als Facette der dezentralen Intelligenz durchgesetzt. 4

5 Für die Zukunft wird eine steigende Nachfrage nach autonom funktionierenden Teilsystemen, sog. cyber-physischen Systemen (CPS), in Industrie-4.0-Umgebungenen erwartet. Dies könnte die Entwicklung von einfachen Stopper-Modulen mit integrierter intelligenter Steuerung und IP-Adresse ermöglichen. Auch größere Geräte/Teilsysteme, wie z. B. Portal- oder Handlingsysteme mit dieser CPS-Funktionalität sind denkbar. Wunsch Verteilte, vernetzte Steuerungslogik mit zentralen und intelligenten Programmiertools neurales Netz Substitution der zentralen Steuerung Hohe Verfügbarkeit durch programmierte Failsafe-Funktionen in der dezentralen Steuerungslogik Vorab-Inbetriebnahme der Sub-Funktionen und objektorientierte Anwenderprogrammierung Kompensation der Overheadkosten für stark verteilte Steuerungslogik durch Nutzen (siehe oben) Aktuelle Situalion Einige integrierte Steuerungen in Bediengeräten, Motion Controller, Remote I/O und Ventilinseln Vernetzung mit zentraler Steuerung; konventionelle Feldbuskommunikation, tlw. Download des Anwenderprogramms über Feldbus Dezentrale Peripherie verfügt über parametrierbare Failsafe-Funktionen und vorverarbeitende funktionale Module Wird für abgeschlossene Subfunktionen und verkettete Handarbeitsplätze genutzt, auf Basis von Front-End-Controllern Preis-Leistungs-Verhältnis für dezentrale Steuerungslogik nur anwendungsspezifisch akzeptiert Abb. 5: DCS-Struktur vs. zentrale Parametrierung Inbetriebnahme und Service MMI Vor-Ort Steuerung und parametrierte Module Ventilinsel mit Statusüberwachung Handhabungssystem mit Schaltschrank Abb. 6: Festo-Lösungen Vorverarbeitung über Parameter und Controller Geänderte Kundenanforderungen und steigende Nachfrage nach dezentralen Installationssystemen Durch die Dezentralisierung der Steuerungskomponenten in die direkte Nähe von Sensoren und Aktuatoren gewinnt die direkte Maschinenmontage zunehmend an Bedeutung. Anwendern geht es vor allem darum, Installationskosten für die Verkabelung einzusparen und Verdrahtungskosten durch vorkonfektionierte Kabel zu senken. Auch Klemmenkästen werden dadurch überflüssig. Beispiele: zunehmender Einsatz im Automobil-Rohbau direkt in extrem rauen Umgebungsbedingungen (Schweißen, Schwing- und Schockbelastung) Einsatz in der Prozessautomatisierung (EX-Zonen, genormte Bereiche z. B. FDA) Einsatz in der Splash-Zone der Lebensmittelindustrie (Kontamination durch Zutaten und Spritzen von Reinigungsmitteln) Aufgrund dieser Anforderungen hat sich der Kundenbedarf in den l etzten Jahren stark verändert. Insbesondere bei der Auslösung einer pneumatischen Steuerkette weist die direkte Maschinenmontage eindeutige Vorteile für den Anwender auf. Je näher sich der Auslöser (Remote I/O oder Ventilinsel) am Aktuator befindet, desto eher gelten die Umgebungsanforderungen dieser Front-End-Komponenten auch für die Steuerungskomponenten. Darüber hinaus können insbesondere Ventilinseln für Anwendungen verwendet werden, die von den Benutzern früher nicht in Betracht gezogen worden wären. 5

6 Auf besonderes Interesses stößt jedoch der Übergang von monotechnischen zu multifunktionalen Einheiten. Am gefragtesten sind Produkte, die neben den technischen Funktionen auch alle Subfunktionen der Maschinen abdecken. Auf dieser Grundlage soll eine optimierte Entwicklungs- und Anlagenflexibilität in Industrie-4.0-Umgebungen geschaffen werden. Ein gutes Beispiel hierfür ist die Weiterentwicklung der Ventilinsel zum hybridtechnischen Terminal. Stand früher die Ansteuerung der Ventile via Bus im Vordergrund, ist heute für nahezu alle Anwendungen, von der einfachen Erfassung der Endlagensensorik über analoge Temperaturwerte bis hin zur Einbindung von Drucksensorik, Proportionalventilen und sicherheitsrelevanten Spannungsversorgungskonzepten, ein regelrechter Signalmix erforderlich. Dies gilt auch für Diagnosefunktionen der angeschlossenen Peripherie, spezielle Ventildiagnosen oder präventive Wartungsfunktionen. Ventilinseln sind nicht mehr nur eine Plattform für pneumatische und elektrische Anschlüsse oder sogar Motion Control für elektrische Antriebe/Achsen in 3D, sondern passen sich durch hybride modulare Systemkonzepte und dezentrale Installationssysteme an das Maschinendesign an. Der Architekt Lois Sullivan brachte es auf den Punkt: Die Form folgt der Funktion. Smart Cubic und kompakte Ventilinseln für Bauraumoptimierte Anwendungen Modulare und dezentrale Ventilinseln in hoher Schutzart IP 65/67 zur direkten Maschinenmontage Schaltschrankoptimierte oder Reinigungsfreundliche Designs für hygienische Umgebungen Metallvariante für extrem robuste Umgebung Abb. 7: Festo-Lösungen mit an Front-End-Umgebung angepasstem Design Industrial Ethernet Feldbus P t Proportinal Druckregelventil P Drucksensor t Zusätzliche Spannungsversorgung Temperaturmodule Abb. 8: Festo-Lösungen Ventilinseln mit Funktionsintegration (links) und dezentraler Steuerung mit Motion Control bis 3D (rechts) 6

7 Kundenentscheidungen zu Pneumatik, Elektrik und Networking Angesichts der Entwicklung von neuen Maschinengenerationen und Systemkonzepten ist es besonders wichtig, den richtigen Systemlieferanten zu wählen. Ein Produkt, das gut in eine Anwendung passt, ist kosteneffizient und steigert die Performance der Gesamtlösung. Mögliches Potenzial Kürzere Taktzeiten durch dezentrale und schnellere Komponenten Höhere Anlagenverfügbarkeit durch detaillierte Diagnosefunktionen oder ein robusteres Design Kompaktere Prozesse durch applikationsoptimiertes Design Mehr Flexibilität in Industrie-4.0-Umgebungen durch Funktionseinheiten und vordefinierte Schnittstellen wie OPC-UA Voraussetzung hierfür ist bei allen Anwendungen eine enge Zusammenarbeit zwischen Produktherstellern und Kunden. Innovation ist keine Idee, die aus stiller Betrachtung entsteht, sondern ein Prozess, bei dem Hersteller und Anwender zusammenarbeiten, um eine Idee in die Praxis umzusetzen. Fazit Das Thema Offene Kommunikation in der Automatisierung mit anderen Worten die Steuerung über eine Bus-Schnittstelle erfreut sich zu Zeiten der dynamischen Veränderungen großer Beliebtheit. Hierbei ist zwischen der Steuerungsebene und der Feldebene zu unterscheiden. Insbesondere auf der Feldebene ist das Potenzial zur Einsparung von Installationskosten nahezu vollständig ausgeschöpft. Im Pneumatikbereich ist das Potenzial durch eine evolutionäre Integration von Funktionen und Technologien größer. Dies erfordert jedoch eine angemessene Anbindung an die Steuerungsebene und damit die Verwendung von Industrial-Ethernet-Protokollen als Daten- Backbone der Maschinen und Anlagen. Das bisherige Feldbusprotokoll wird auch im nächsten Jahrzehnt eine wichtige Rolle für Massenanwendungen spielen. Ventilinseln entwickeln sich zu multifunktionalen Terminals, die komplette Subfunktionen von Maschinen oder Teilprozesse einer Anlage abdecken. Darüber hinaus werden alle Festo-Lösungen, insbesondere Teilsysteme mit Ventilinseln, OPC-UA-fähig gemacht, um den Host-Umgebungen der Industrie 4.0 gerecht zu werden. Front-End-Motion-Control, Pneumatik, Signalverarbeitung, Sicherheitstechnik und Networking gehören hierbei zu den Schlüsseltechnologien. Dieser Trend wurde in gemeinsamen Projekten mit unseren Kunden beobachtet und bereits heute sind die ersten Ergebnisse in Form von Festo-Produkten verfügbar. Festo wird diese Entwicklungen als Technologie-Führer im Bereich Pneumatik, Elektrik und Networking in den kommenden Jahren in enger Zusammenarbeit mit seinen Kunden vorantreiben und dabei die spezifischen Front-End-Anforderungen der Automatisierungstechnik berücksichtigen. Autor: Helmut Deichert Leitung Produktmanagement Elektrik Automation 7 Festo AG & Co. KG Rechbergstrasse Denkendorf Tel.: deic@de.festo.com