Skalierbar zum maßgeschneiderten System

DER AUTOR Dipl.-Ing. (FH) Norbert Brousek ist Produktmanager Industrial Automation Systems Industry Automation bei der Siemens AG in Nürnberg www.siemens.com/s7-1500, www.siemens.com/et200mp

Die Produktivität zu steigern, die Bestellung, Logistik und Ersatzteilhaltung zu vereinfachen sowie Zeit- und Kosten bei der Montage, Inbetriebnahme und Wartung zu sparen, diese Faktoren spielen bei Auswahl und Einsatz von Automatisierungssystemen eine immer wichtigere Rolle. Speziell bei Komponenten wie IO-Baugruppen, die in großer Anzahl in einer industriellen Anlage montiert, verdrahtet und gewartet werden müssen, ist ausschlaggebend, dass sie leicht handhabbar sind. Mit dem System Simatic ET 200MP steht ein neues dezentrales Peripheriesystem zur Verfügung, dass diese Anforderung erfüllt. Damit können die IO-Baugruppen der Simatic-S7-1500-Serie dezentral eingesetzt werden.

Das System wird auf eine verzinnte Aluminiumschiene montiert. Dabei lassen sich die IO-Baugruppen auf der Oberseite einhängen und unten mit einer einzigen Schraube befestigt. Schock- und Rüttelbeanspruchungen, wie sie bei Postfrachtzentren, Paketsortieranlagen und Hochregallagern mit hohem Materialdurchsatz vorkommen, sind so kein Problem. Nur wenn die Baugruppen auch bei permanenter mechanischer Beanspruchung zuverlässig ihren Dienst verrichten, können die Briefe und Pakete dem Empfänger termingerecht zugestellt werden.

Außerdem lassen sich die 35 mm breiten Baugruppen bündig auf einer Schiene montieren, sodass kein Platz im Schaltschrank verloren geht. Eine Besonderheit ist die integrierte Hutprofilschiene. Auf diese können kleinere Komponenten wie Klemmen, Relais oder Sicherungsautomaten aufgeschnappt werden. Dies führt zur weiteren Einsparung von Platz sowie Material- und Montagekosten.

In der Regel beginnt der Stationsaufbau mit dem Interfacemodul (IM). Daran schließen sich die IO-Baugruppen an. In das IM ist eine Stromversorgung integriert, die den Einsatz von bis zu zwölf digitalen oder analogen IO-Baugruppen erlaubt. Werden mehr Baugruppen benötigt, kann rechts neben die zwölfte Baugruppe einfach eine weitere Systemstromversorgung (PS) gesteckt werden. Danach lassen sich bis zu 18 weitere IO-Baugruppen montieren, sodass insgesamt bis zu 30 IO-Baugruppen hinter einem IM betrieben werden können. Neben einfachen digitalen und analogen IOs lassen sich uneingeschränkt Baugruppen wie etwa schnelle Zähler, Module zur Punkt-zu-Punkt-Kommunikation oder auch Safety-Module einsetzen. Ist bereits von Anfang an bekannt, dass mehr als zwölf Baugruppen benötigt werden, so kann die Systemstromversorgung auch links neben das Interfacemodul gesteckt werden. In diesem Fall addieren sich die Leistungen der PS und der IM.

Damit der Anwender nur das bezahlt, was er auch tatsächlich braucht, stehen Baugruppen mit unterschiedlichen Kanalzahlen und Funktionen zur Verfügung. Außerdem sind die Montageschienen in unterschiedlichen Längen verfügbar. Auch der Stationsaufbau selbst ist flexibel. Für einfache Anwendungen genügt die Variante mit dem „selbstaufbauenden Rückwandbus“. Dieser wird über einen „U-Verbinder“ realisiert, der auf der Rückseite der Baugruppe montiert wird. Dieser liegt jeder IO-Baugruppe bei, sodass keine zusätz- lichen Kosten für den Aufbau entstehen. Der Bus versorgt zum einen die Baugruppen mit Spannung, zum anderen baut er den Datentransfer zu den Baugruppen auf. Durch Trennen der Versorgungs- und Datenleitungen sowie durch den Einsatz komplett geschirmter Stecker für die Datenleitungen wird die EMV-Stabilität gewährleistet. Nur wenn der Anwender zusätzliche die Funktion „Ziehen & Stecken von Baugruppen im laufenden Betrieb“ benötigt, wird ihm dafür ab einer weiteren Lieferstufe eine Backplane zur Verfügung stehen.

Ein wesentliches Entwicklungsziel der Simatic S7-1500 sowie Simatic ET 200MP war es, die Gesamtperformanz des Systems deutlich zu steigern. Ebenso sind bei dem neuentwickelten System Reserven für Weiterentwicklungen zu berücksichtigen. Dies funktioniert nur, wenn alle am Systemaufbau beteiligten Komponenten ihren Teil dazu beitragen und auf unnötige Verzögerungszeiten verzichten.

Das beginnt bereits bei der Signalerfassung. Nur wenn hinreichend schnelle IO-Baugruppen im Portfolio vorhanden sind, ist die Grundlage geschaffen, Applikationen mit hoher und höchster Performance, wie etwa Hydraulikregelungen oder Verpackungsmaschinen, bedienen zu können. So stehen im Produktspektrum Digitaleingabebaugruppen zur Verfügung, die sich durch sehr kurze Eingangsverzögerung von 50 µs auszeichnen. Ein Novum sind die Analogeingabe- und Ausgabebaugruppen, die es auf eine Wandlungszeit von 62,5 µs bzw. 125 µs für acht Kanäle bringen. Diese erlauben eine sehr schnelle Abtastung des Signals und gewährleisten so eine hohe Regelgüte.

Ein schnelles IM sowie ein effizienter Rückwandbus innerhalb der Station sorgen für einen schnellen „Abtransport“ der erfassten Signale. Bereits in der ersten Lieferstufe des Peripheriesystems sind Buszykluszeiten von 250 µs am Profinet möglich. Damit ist eine Dimension erreicht, die für viele Applikationen mehr als ausreichend ist.

Auch der taktsynchrone Betrieb an Profinet sowie die Anbindung an entsprechende Tasks (OB6x) in der CPU sind gegeben. So ist es möglich, dass alle Eingänge am Bus gleichzeitig erfasst und alle Ausgänge synchron ausgegeben werden können.

Um die Themen Logistik und Ersatzteilhaltung weiter zu vereinfachen, wurde die Funktionsdichte der Baugruppen und Komponenten erhöht. Dass dies nicht im Widerspruch zu der Skalierbarkeit des Systems steht, zeigen folgende Beispiele:

Bei Simatic ET 200MP gibt es nur noch einen einheitlichen Frontstecker. Dieser ist 40-polig und passt auf alle digitalen und analogen IO-Baugruppen. Der Anwender muss sich also bei der Bestellung keine Gedanken mehr machen, ob er den richtigen Stecker ausgewählt hat. Weiterhin gibt es eine universell einsetzbare Analogeingabebaugruppe. Sie deckt mit einer Auflösung von 16 Bit, einer Genauigkeit von 0,3 % und einer Common-Mode-Spannung von zirka 10 V alle notwendigen Messarten ab, egal ob Strom, Spannung, Widerstände oder Temperaturen über Thermoelemente (TC) oder Widerstandsthermometer (RTD). Über das TIA-Portal lassen sich in der jeweiligen Messart auch unterschiedliche Messbereiche einstellen. Beispielsweise können je nach Applikation und benötigtem Temperaturbereich unterschied- liche Thermoelementtypen ausgewählt werden. Die Linearisierung der Kennlinien erfolgt in der Baugruppe, sodass der Anwender in seinem Programm direkt den Temperaturwert geliefert bekommt.

Die Baugruppe kann außerdem zwei obere und untere Grenzwerte überwachen. Eine Auswertung innerhalb der Applikation entfällt. So kann etwa bei Überschreitung des ersten Grenzwertes eine Warnung ausgegeben, beim Erreichen des zweiten hart reagiert werden. Auch bei den Digitalbaugruppen wurden Funktionen zusammengefasst. Während bisher unterschiedliche Baugruppen ausgewählt werden mussten, löst nun eine Hardware alle Aufgaben. Dies wird erreicht, indem spezielle, programmierbare Eingabebausteine verwendet und bestimmte Funktionalitäten firmwareseitig gelöst werden. So ist es möglich, dass die neue Universalbaugruppe die schnelle Baugruppe für taktsynchrone Anwendungen sowie die diagnosefähige Eingabebaugruppe substituiert. Dazu trägt auch die konsequente Nutzung von Profinet bei.

Innerhalb einer Simatic ET 200MP stehen je Baugruppe (Steckplatz) bis zu 256 Byte zyklische Daten (= Nutzdaten; jeweils in E/A-Richtung) und bis zu 1,5 kByte Parameterdaten zur Verfügung. Somit ist es möglich, auch bei hochkanaligen Baugruppen, wie etwa 32-kanaligen Digitalbaugruppen, jeden Kanal einzeln zu parametrieren. Beispielsweise können bei einer Digitaleingabebaugruppe für jeden Kanal einzeln eingestellt werden:

Somit ist nicht nur die Parametrierung, sondern auch die Diagnose für jeden einzelnen Kanal möglich. Zusammen mit einer kanalgranularen Anzeige lassen sich Fehler in der Verdrahtung leicht erkennen und beheben. So können Anlagenstillstandzeiten drastisch reduziert werden. Neben einer flexiblen Einsatzmöglichkeit ist so auch eine hohe Anlagenverfügbarkeit gewährleistet.

Ein weiterer Vorteil von Profinet ist die nun durchgängige Implementierung der sogenannten I&M-Funktionen in jeder einzelnen Baugruppe. Wichtigster Bestandteil davon sind dabei die I&M0-Daten, das elektronische Typenschild. Damit können aus jeder einzelnen Baugruppe detaillierte Informationen wie die Bestellnummer, der Hardware- und Firmware-Ausgabestand sowie die eineindeutige Seriennummer einer Baugruppe ausgelesen werden.

Diese Seriennummer kann beispielsweise zur Produktrückverfolgung als Verwendungsnachweis genutzt und abgespeichert werden. So weiß zum Beispiel jeder Schaltschrankbauer oder OEM, an welchen Endkunden er welche Baugruppe geliefert hat. Insbesondere im Bereich der Lebensmittelproduktion und der Pharmaindustrie ist dies von großer Be- deutung und wird häufig von Behörden gefordert.

Das Peripheriesystem kann auch mit bisherigen Engineeringsystemen wie Step7 5.5 konfiguriert werden. Bestehende Anlagen lassen sich problemlos mit der neuen Peripherie nachrüsten. Zur Projektierung wird lediglich die GSDML-Datei der Simatic ET 200MP in Step7 eingebunden. Danach steht die Station mit all ihren IO-Baugruppen zur Verfügung. Noch wichtiger für den Investitionsschutz ist das durchgängige Firmware-Update, das alle Baugruppen unterstützen, seien es Optimierungen in der Firmware oder neue Funktionen wie etwa eine neue Temperaturkennlinie in einer Analogbaugruppe. Der Anwender kann diese einfach durch Download der Firmware auf der Baugruppe installieren und nutzen. So lässt sich eine vorhandene und installierte Hardware immer auf dem aktuellen Stand halten. ge

Mit Simatic ET 200MP steht ein Peripheriesystem zur Verfügung, das alle Anforderungen an ein modernes Automatisierungssystem erfüllt und gleichzeitig hinreichend Reserven für zukünftige Erweiterungen bietet. Es zeigt auch, dass Skalierbarkeit auf der einen Seite und Erhöhung der Funktionsdichte auf der anderen Seite nicht im Widerspruch zueinander stehen. Der Einsatz hochintegrierter ASICs, die Realisierung von Funktionen in der Baugruppenfirmware sowie ein durchdachtes Produktdesign erlauben es, unterschiedliche Anforderungen in Einklang zu bringen.

Profinet ist ein modernes Konzept für die denzentrale Autmoatisierung. Er basiert auf Ethernet und ermöglicht die Einbindung existierender Feldbus-Systeme wie Profibus ohne Änderungen der existierenden Feldgeräte. Die „Technologie und Anwendung“-Systembeschreibung gibt einen schnellen Überblick über die Profinet-Technologie. Informationen dazu im Download-Bereich von: