Eine erhöhte Flexibilität und Kosteneffizienz verspricht der Einsatz der Embedded Controller Simatic S7-mEC von Siemens. Damit sind sie nicht nur für Automatisierungstechniker interessant, die bisher vor allem PC-basierte Lösungen eingesetzt haben, sondern auch für Standard-SPS-Anwender. Diese können auf diese Weise komplexe, multidisziplinäre Applikationen auf Basis von modularen Standardbaugruppen implementieren – bis hin zur Nutzung fehlersicherer Software-Controller für sicherheitsgerichtete Anwendungen.
DER AUTOR Jan Latzko ist Produktmanager bei der Siemens AG in Nürnberg im Industry Sector in der Division Industry Automation.
PC-basierte oder sogenannte Embedded-Lösungen werden in zunehmendem Maße die zukünftigen Entwicklungen und die Geschwindigkeit der Innovationen in der Automatisierungswelt mitbestimmen. Sie werden in Anwendungen ihren Platz finden, die schnelle, komplexe Steuerungsaufgaben mit großem Datenaufkommen beinhalten und eine effiziente Datenkommunikation zwischen der Fertigung in der Fabrikebene und der IT-Welt beziehungsweise Verwaltung in der Managementebene erfordern. Schlüsselanwender hierfür sind die Automobil- und Verpackungsindustrie, dabei vor allem auch der Bereich Logistik.
Die PC-basierte Automatisierung eröffnet speziell für Applikationen mit hohen Anforderungen an Performanz und Offenheit einen nicht von der Hand zu weisenden Nutzen: Durch die rasante Entwicklung im Halbleiterbereich bezüglich Taktfrequenz, Chip-Größe und Mehr-Kern-Technik in Zusammenhang mit deren passiver Kühlungsmöglichkeit steigt die Verfügbarkeit von immer leistungsfähigeren Prozessoren und größeren Speichern. Dies gilt für alle Arten von Anwendungen bei gleichzeitig sehr flexiblen Programmiermöglichkeiten. PC-basierte Lösungen unterliegen keinen festen Aufbau- und Designvorschriften und können daher in annähernd beliebiger Bauform umgesetzt werden.
Embedded Controller sind robust und hochflexibel
Mit dem modularen Embedded Controller Simatic S7-mEC bietet Siemens ein PC-basiertes System, das auf dem Aufbaukonzept der erfolgreichen S7-300 Controller basiert. Es spricht diejenigen Anwender an, die eine modular erweiterbare Standardsteuerungslösung bevorzugen. Mit dieser Kompatibilität im Aufbau und der Anschlussmöglichkeit von Standardperipherie eignet sich der modulare Embedded Controller ideal zum Einsatz im Spezial- und Serienmaschinenbau. Er sieht nicht nur wie eine konventionelle SPS aus, sondern wird genauso wie diese im Schaltschrank montiert und bei Steuerungsaufgaben über einen Run/Stop-Schalter bedient.
Der interne PC jeder Zentraleinheitsvariante EC31-RTX, EC31-RTX F oder EC31-HMI/RTX besteht aus
- einem schnellen CoreDuo-Industrieprozessor der langzeitverfügbaren Embedded-Linie von Intel mit aktuell 1,2 GHz,
- einem 1 GB großen Arbeitsspeicher (RAM),
- einem 4 GB umfassenden Flash-Laufwerk für das Embedded-Windows-Betriebssystem,
- zwei USB-Schnittstellen,
- Industrial Ethernet und Profinet-Schnittstelle sowie aus
- der einschaltfertigen, vorinstallierten Automatisierungslaufzeitsoftware WinAC RTX mit Echtzeiterweiterungsoptionen und echtzeitspezifischen Anwendungen.
Das robuste, modulare PC-System liefert damit ein Höchstmaß an Leistungsfähigkeit und Flexibilität. Es besitzt keine Festplatte, keinen Lüfter und keine sonstigen beweglichen Teile, die durch Vibrationen, Stöße, hohe Temperaturen oder andere externe Einflüsse beeinträchtigt oder zerstört werden können. Wie die modularen Simatic Controller ist der S7-mEC für lange Verfügbarkeit und problemlose Nutzung im industriellen Umfeld ausgelegt. Das funktioniert natürlich nur mit einer gewissen Menge an remanenten Daten, die bei möglichen Stromausfällen vor Datenverlust schützen und einen schnellen Wiederanlauf einer Maschine garantieren. Das wird ohne eine unterbrechungsfreie Stromversorgung (USV), alleine durch den eingebauten 512 KB großen Remanenzspeicher gewährleistet. Ein zusätzlicher Steckplatz für eine Multimedia-Card (MMC) erlaubt dem Anwender, die benötigte oder geplante Speicherkapazität für beliebige Anwenderdaten flexibel zu wählen.
Mit modularer Hard- und Software zur kosteneffizienten Lösung
Ein großer Vorteil des Embedded Controllers ist sein modularer Aufbau. Je nach Anforderung kann er erweitert oder skaliert werden. Auf diese Weise lassen sich beispielsweise Simatic S7-300-Signalmodule (SM) oder -Interfacemodule (IM) zentral im Schaltschrank am Rückwandbus des S7-mEC platzieren, um damit einen mehrzeiligen Aufbau zu ermöglichen. Das bietet nicht nur maximale Flexibilität bezüglich I/O-Adressraum, sondern schafft Automatisierungslösungen, die für unterschiedliche Aufgaben und Anforderungen situationsabhängig, anwenderspezifisch angepasst und kosteneffizient umgesetzt werden können. Nicht zuletzt lässt sich der Controller mit den I/Os wie üblich mit Step 7 konfigurieren, programmieren, in Betrieb nehmen und diagnostizieren. Das bedeutet, dass dafür kein Spezial-PC-Wissen erforderlich ist. Jeder, der sich mit konventionellen Simatic-Komponenten auskennt, wird schnell mit der Handhabung des Embedded Controllers zurechtkommen.
Ein weiterer Punkt ist: Es ist seit langer Zeit üblich, dass Automatisierungsingenieure die Maschinensteuerungen horizontal und vertikal in die Netzwerkarchitektur integrieren und dezentrale I/O-Peripherie anbinden. Der PC-basierte Embedded Controller erfüllt diese Anforderung durch die Bereitstellung von integrierten Schnittstellen für Industrial Ethernet und Profinet – als 2-Port-Switch. Damit ist es nicht notwendig, einen zusätzlichen, separaten Kommunikationsprozessor (CP) einzusetzen. Profinet ermöglicht hochperformante, taktsynchronisierte Echtzeitkommunikation mit IRT – isochroner real time – und gleichzeitig Standard-Ethernet- und TCP/IP-Kommunikation über verschiedene Automatisierungsebenen hinweg. Damit können komplexe, dynamische, verteilte Antriebs- oder Regelapplikationen mit einem großen Prozessdatenvolumen implementiert werden, ohne gegenseitige Beeinflussung oder Performance-Verlust. Dieses Niveau an Multifunktionalität ist nur möglich durch den Einsatz des Profinet-Chips ERTEC 400 (Enhanced Real-Time Ethernet Controller) von Siemens, der bis zu 256 Profinet-IO-Geräte verwaltet – davon 64 Geräte im IRT-Betrieb.
Zusätzliche S7-mEC-spezifische Module erlauben eine zentrale Erweiterung für PC-typische Schnittstellen und Baugruppen. Das erste Erweiterungsmodul EM PC bietet folgende Kommunikations-und Speicherkartenlösungen:
- Zwei zusätzliche USB-Schnittstellen,
- eine separate Gigabit-Ethernet-Schnittstelle,
- eine herkömmliche serielle RS-232-Schnittstelle,
- eine DVI-I-Monitorbuchse,
- einen Slot für Compact-Flash-Speicherkarte (CF) und
- einen für Secure Digital (SD) / Multimedia Card.
Die DVI-I-Monitorschnittstelle gibt dem Anwender die Möglichkeit, Daten und Informationen vor Ort auf einem digitalen Display und einem VGA-Monitor anzuzeigen.
In das zweite Erweiterungsmodul EM PCI-104 können bis zu drei Baugruppen nach PCI-104-Spezifikation zentral eingebaut werden, um komplexe Applikationen abzudecken. Das eröffnet der Automatisierung eine Reihe neuer Optionen, angefangen beim Einsatz und Anschluss spezieller Messwerterfassungs- und Regelungsbaugruppen über Vision-Systeme und Industriekameras für die elektronische Bildverarbeitung (etwa bei Qualitätssicherungsaufgaben) bis hin zum Einsatz von Massenspeichern und Kommunikationsanschlüssen. Siemens bietet hierfür beispielsweise eine Profibus-Anschaltung.
PC-based und dennoch fehlersicher
Mit WinAC RTX F steht zudem ein TÜV-geprüfter, fehlersicherer Software-Controller für sicherheitsgerichtete Anwendungen zur Verfügung. Zur Programmierung des F-Programms wird die Software Distributed Safety, eine Option zu Step 7, genutzt. Das Profisafe-Profil erlaubt dabei eine sichere Kommunikation über Profinet IO und Profibus DP.
Multifunktional durch Offenheit
Wie in der PC-Welt üblich, ist die installierte Software auf dem Embedded Controller offen zugänglich und kann vom Anwender zum Beispiel durch Treiberinstallationen modular erweitert werden. Als Standardbetriebssystem kommt Windows Embedded Standard zum Einsatz, das durch Siemens gezielt auf die notwendigen Funktionen im Automatisierungsumfeld reduziert wurde. Dadurch benötigt der Anwender wesentlich weniger Speicherplatz als mit der Vollversion eines Windows-Betriebssystems. Das RTX im Produktnamen der Zentraleinheit steht für die einschaltfertige, ablauffähige Softwaresteuerung Simatic WinAC RTX 2010, die in Verbindung mit dem Echtzeiterweiterungskernel auch äußerst zeitkritische, deterministische Prozesse mit präzise definierten Zykluszeiten kontrollieren kann.
Die Embedded-Simatic-Lösung bietet jedoch noch weitere multifunktionale Möglichkeiten, da fast jegliche Software verwendet werden kann, angefangen bei Windows-Standardprogrammen von der Stange bis hin zu Applikationen, die vom Anwender in C, C++ oder C# selbst erstellt werden. Der Schlüssel zur Integration und flexiblen Nutzung aller Ressourcen des PCs aus dem Steuerungsprogramm ist das optionale WinAC Open Development Kit (ODK), das folgende drei Schnittstellen zur Verfügung stellt:
- Die Anwendercodeerweiterung (CCX – custom code extension) zum Aufruf eigener Programme aus WinAC,
- die Schnittstelle auf Shared Memory (SMX – shared memory extension) zum schnellen Datenaustausch mit Windowsprogrammen und
- das Controller Management Interface (CMI) zur Integration des WinAC-Panels in das eigene Programm.
Dem Programmierer steht damit der Zugriff auf alle Funktionen und Ressourcen des Betriebssystems zur Verfügung, im Speziellen der Zugriff auf externe Hardware und Softwarekomponenten.
Für die Bedienung und die Überwachungsaufgaben empfiehlt Siemens das HMI-Laufzeitsystem Simatic WinCC flexible und die Simatic Industrial Thin Clients, die dank Standard-TCP/IP-Mechanismen nahezu unbegrenzt weit entfernt vom S7-mEC betrieben werden können. Die HMI-Visualisierungssoftware gibt es skaliert mit 128, 512 oder 2048 Prozessvariablen, genannt Power Tags, und sie ist ebenfalls als vorinstallierte, sofort einsetzbare Version des EC31-HMI/RTX erhältlich. Das befähigt den Anwender, eine genau an seine Aufgabenstellung angepasste, kostengünstige Embedded-Lösung auszuwählen.
Breites Applikationsspektrum mit hohem Datenaufkommen
Im Fokus stehen dabei stets hohe Robustheit und Modularität. Der modulare Embedded Controller wird diesen Eigenschaften gerecht und ist ausgelegt für den langfristigen Betrieb und störungsfreien Einsatz im anspruchsvollen Industrieautomatisierungsumfeld. Der Einsatz des S7-mEC ist deshalb vor allem in der steigenden Zahl von Applikationen interessant, in denen ein immer größer werdendes Maschinen- und Anlagendatenvolumen erfasst, aufgezeichnet, verarbeitet, visualisiert, archiviert und externen Systemen verfügbar gemacht werden muss – vor allem dann, wenn der Anwender SPS- und PC-Funktionalität benötigt, ohne einen dedizierten PC einsetzen zu wollen. co
PRAXIS PLUS
Die Vorteile der PC-basierten Embedded Controller sind:
- Hohe Leistungsfähigkeit und maximale Offenheit dank PC-Technologie
- Hohe Robustheit ohne Lüfter und Festplatte
- Modularität und Skalierbarkeit über zentrale Erweiterungen mit S7-300-Peripherie und zusätzlichen PC-Schnittstellen
- Inbetriebnahme wie bei S7-300 durch Automatisierungsfachpersonal
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