Trends zu offener Kommunikation

Während im letzten Jahrzehnt die Verwendung von Bussystemen noch sehr kritisch beobachtet wurde, sind heutzutage Feldbussysteme in viele Anwendungen nicht mehr weg zu denken. Sie werden in immer neuen Anwendungsbereichen eingesetzt. Installationssparende Lösungen mit Automatisierungsgeräten mit Busanschluss sind „State of the art“ – in der Feldebene entsteht als nächster Schritt zu mehr Effizienz und höherer Verfügbarkeit eine neue Klasse von leistungsfähigen Produkten. Dies gilt insbesondere für die Automatisierung mit Pneumatik und Ventilinseln. Gespiegelt mit neuen Tendenzen und Trends und der erweiterten Akzeptanz in kritischeren Anwendungsbereichen führt dies zu starken Veränderungen im Produkt-Design der Automatisierungskomponenten und Systeme.

Industrial Ethernet versus Feldbus – Konkurrenz oder Miteinander?

In den Feldbuskriegen im letzten Jahrzehnt zwischen den vielen herstellerspezifischen Bussystemen und den offenen Systemen war relativ schnell geklärt – die Entscheidung fällt der Anwender. Und dies auf Basis der Performance und primär des Anwendernutzens. Nicht nur die Technik stand im Vordergrund der Entscheidung, sondern das breite Angebot an busfähigen Geräten mit verschiedensten technologischen Funktionen und damit die umsetzbare Durchgängigkeit in der Anwendung. Gewonnen haben hierbei eindeutig die offenen Bussysteme. Die installierte Basis busfähiger Geräte ist mit über 50 Millionen Knoten immens und bindet heute die Anwender auf Grund ihres notwendigen Investitionsschutzes in Engineering und Know-How.

Mit der Idee des Industrial Ethernet wurde vor Anfang des Jahrzehnts eine weitere Konsolidierung der Buslandschaft verbunden. Und dies bei gleichzeitiger Senkung der Anschaltkosten und Steigerung der Performance – plus IT-Leistungen in der Feldebene. Ein verlockender Gedanke – mit einem Ethernet-System eine performante Standardisierung der Industriellen Kommunikation zu erreichen. Der Wunsch wäre:

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• ein Industrial-Ethernet-Protokoll;
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• Kostensenkung der Anschaltkosten pro Gerät durch die hohe Stückzahlbündelung und kostengünstige Hardware. Vision: Industrial Ethernet im einzelnen Sensor/Aktuator;
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• Verwendung von IT-Leistungen im Front-End-Automatisierungsgerät bietet eine transparente Anbindung an übergeordnete Systeme und ermöglicht eine erhöhte Datenkommunikation;
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• hochperformante Kommunikation in Datenbreite und Geschwindigkeit und Synchronität ermöglicht auch die Integration zeitkritischer Prozesse in ein Netzwerk mit anderen Feldgeräten.

Die aktuelle Situation sieht derzeit folgendermaßen aus:

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• >5 relevante Industrial-Ethernet-Protokolle;
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• Ziel verfehlt: Preiserhöhung der Anschaltkosten pro Knoten durch Stückzahlteilung, hochzuverlässige Elektronik und individuelles Design;
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• bislang nicht genutzt: IT-Leistungen werden meist erst ab der Steuerungsebene genutzt, wenige Projekte mit IT in der Feldebene;
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• Ziel erreicht: Ausprägungen mit schneller und taktsynchronen Datenkommunikation in Ko-Existenz zu Standard-Kommunikation auf einem Bus.

Ursprünglich gesetzte Ziele der Vereinheitlichung der Kommunikationslandschaft durch Industrial Ethernet konnten bis dato nicht erreicht werden. Durch die große installierte Basis etablierter Bussysteme und die hohen „Switching Costs“ zu Industrial Ethernet entsteht aktuell eine Barriere für die Substitution der etablierten Bussysteme durch neue Systemansätze. Jedoch: Neue Möglichkeiten und damit ein recht klares Profil und Zielsegment für Industrial Ethernet kristallisieren sich heraus. Durch die Tendenzen zu komplexeren Prozessen, höheren Datenmengen und weiterer Integration rücken Leitebene, Steuerungsebene und periphere Systeme immer stärker zusammen. Hier ist eine Domäne für Industrial Ethernet auszumachen. ProfiNet, und Foundation Fieldbus HSE bei größeren Prozessanlagen sowie EtherCAT, Ethernet/IP und Modbus TCP in Downstreamprozessen sind die Basis für solche Anwendungen.

Prognose für die Zukunft: Ein Großteil der einfachen Anwendungen – und das macht die Masse aus – wird auch in Zukunft mit klassischen Bussystemen ausgerüstet werden. Komplexere Anwendungen, zeitkritische Systeme und Remote I/O begeben sich eher auf das Industrial EtherNet und in vielen Fällen sollte sich eine klare Struktur mit Ethernet Backbone und angebundenem Prozess-Feldbus herauskristallisieren. Auch hier gilt, der Anwender wird sehr genau die Kosten für Migration und Investition kalkulieren und schlussendlich den Anteil zwischen Industrial Ethernet und klassischem Bussystem entscheiden – und dies auf Basis des Nutzens (Preis-Leistung) in seiner Anwendung. Ein Miteinander der Systeme in Abhängigkeit der unterschiedlichen Anwendungen und Kundenanforderungen scheint somit das wahrscheinliche Szenario zu sein.

Verteilte Steuerungs-Intelligenz versus vorverarbeitende Parametrierung

Grundidee und erster Schritt der Dezentralisierung mittels Bussystemen war die Verlagerung der E/A der zentralen Steuerung im Schaltraum in dezentral angeordnete Klemmenkästen – Remote I/O. Gerade im Downstream Processing etablierte sich die direkte Maschinenmontage der „Remote I/O“- Einheiten – als Vorreiter hierfür gelten die Ventilinseln von Festo in hoher Schutzart IP65/67. Als zweiter Schritt wurden immer mehr Automatisierungs-Peripheriefunktionen in die Feldebene verlagert.

In logische Konsequenz wurde als dritter Schritt die Verteilung der Regelungs- und Steuerungsfunktion in das Feld prognostiziert – „das Netz ist die Steuerung“ war einer der Schlagworte Anfang dieses Jahrzehnts. Auch hier gibt es eine Vorstellung, wie der idealfall aussehen soll:

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• Verteilte, vernetzte Steuerungslogik mit zentralen und intelligenten Programmiertools – neurales Netz;
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• Substitution der Zentralen Steuerung;
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• Hohe Verfügbarkeit durch programmierte Failsafe-Funktionen in der dezentralen Steuerungslogik;
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• Vorab-Inbetriebnahme der Sub-Funktionen und Objektorientierte Anwenderprogrammierung;
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• Kompensation der Overheadkosten für viele verteilte Steuerungslogik durch Nutzen.

Die aktuelle Situation unterscheidet sich aber bislang vom Ideal:

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• Einige integrierte Steuerungen in Bediengeräten, Motion Controller, Remote I/O und Ventilinseln, „Control in the Field“ teilweise in der Anwendung;
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• Vernetzung mit zentraler Steuerung; konventionelle Feldbuskommunikation, teilweise Download des Anwenderprogramms über Bussystem;
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• Dezentrale Peripherie verfügt über parametrierbare Failsafe-Funktionen und vorverarbeitende funktionale Module;
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• Wird für abgeschlossenen Subfunktionen und verkettete Handarbeitsplätze genutzt auf Basis von Front-End-Controllern;
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• Preis-/Leistungs-Verhältnis für dezentrale Steuerungslogik nur anwendungsspezifisch akzeptiert.

Dieser viel diskutierte Trend hat bis heute nur in wenigen Anwendungen Einzug gehalten. Hemmschuh für die meisten Anwender ist das komplexe Engineering von „Control in the Field“, selbst bei Anwendern, die bereits feldbusfähige Komponenten einsetzen und damit keine zusätzlichen Kosten ins Kalkül ziehen müssen.

Etabliert hat sich jedoch eine Facette der „dezentralen Intelligenz“, nämlich die erhöhte Flexibilität der dezentralen Automatisierungsgeräte durch integrierte vorverarbeitende Funktionen. Beispiele hierfür sind parametrierbare Failsafe-Funktionen der Ausgänge, Ventile und Aktoren im Falle der Kommunikationsunterbrechung des Bussystem oder auch SW-parametrierbare Grenzwertüberwachungen für analoge Sensorik und Aktuatorik. Damit hat sich die Funktionsintegration als Facette der verteilten Intelligenz durchgesetzt. Neue Funktionen der zentralen Parametrierung und Datenhaltung in modernen Engineering-Systemen vereinfachten dies.

Wandel der Kundenanforderungen in der dezentralen Installationstechnik

Durch die Dezentralisierung der Steuerungskomponenten in die direkte Nähe der Sensorik und Aktorik gewinnt die Installation intelligenter Komponenten im Feld stark an Bedeutung. Installationskosten für die Verkabelung einsparen, Verdrahtungskosten durch vorkonfektionierte Kabel reduzieren und die Einsparung von Platz im Schaltraum/Schaltschrank sind hierbei die hauptsächlichen Träger dieser Marktentwicklung. Gerade in Zusammenhang mit der Ansteuerung der pneumatischen Steuerkette liegt der Kundennutzen der Installation im Feld auf der Hand. Je näher die Ansteuereinheit, also das Remote I/O oder die Ventilinsel, am Aktuator sitzt, desto mehr tangieren die Umweltanforderungen dieser Front-End-Komponenten auch die Steuerungskomponente. Darüber hinaus werden insbesondere Ventilinseln in Anwendungsbereichen eingesetzt, die zuvor für den Kunden nicht in Frage gekommen wären. Beispiele hierfür sind

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• Einsatz in Kernbereichen der Prozessautomatisierung, mit Anforderungen wie Explosionsschutz und FDA/GMP;
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• Verwendung in der Nahrungsmittelindustrie und hier in der Splash-Zone (Verschmutzung durch Nahrungsmittel-Rohstoffe oder Abspritzen mit Reinigungsmitteln);
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• Installation intelligenter Terminals ohne Schaltschrank.

Diese Anforderungen führen zu neuen Aufgabenstellungen im Produkt-Design die gerade im letzten Jahr spürbar als Anforderungen seitens der Kunden gestellt werden.

Besonders interessant ist jedoch die Entwicklung von monotechnologischen Einheiten zu multi-funktionalen Einheiten. Im Vordergrund des Kundeninteresses steht hierbei sowohl die Abdeckung von kompletten Subfunktionen als auch die Integration von technologischen Funktionen. Gutes Beispiel ist die Entwicklung der Ventilinsel zu einem hybriden technologischen Terminal. Früher stand die Ansteuerung der Ventile via Bus im Vordergrund, heute ist der hohe Signalmix von der einfachen Erfassungen von Endlagensensoren über die Erfassung von analogen Temperaturwerten bis hin zur Integration von Drucksensorik, Proportionalventilen und sicherheitsrelevanten Spannungsversorgungskonzepten gefordert, einfache Diagnosefunktionen der angeschlossenen Peripherie und spezielle Ventildiagnose bis hin zur präventiven Wartungsfunktion inklusive. Ventilinseln stellen heute nicht nur eine pneumatisch und elektrisch verkettete Ventilbatterie dar, sondern passen sich durch hybride modulare Systemkonzepte und dezentrale Installationssysteme an das Anlagendesign an; das Zitat des Architekten Lois Sullivan trifft hier genau zu: Form follows function.

Kundenentscheidungen rund um Pneumatik, Elektrik und Networking

Die Auslegung von neuen Prozessen und Anlagen erfordert heute einen starken Prozess in der Auswahl der Systemanbieter. Eine hohe Passgenauigkeit der Produkte in die Anwendung erschließen hierbei sowohl wirtschaftliche Potenziale als auch leistungsfähigere Gesamtlösungen. Mögliche Potenziale sind:

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• höhere Verfügbarkeit der Anlagen durch detailliertere Diagnosefunktionen oder robusteres Design;
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• kompaktere Anlagen durch optimiertes Design in die Anwendung;
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• Kostensenkung in der Installation durch intelligente Komponenten.

Grundvoraussetzung ist hierzu die intensive Zusammenarbeit zwischen Produktherstellern und Schlüsselkunden in den unterschiedlichsten Anwendungen. Eine Innovation ist nicht die Idee, die im stillen Kämmerlein entsteht, sondern in der Regel ein Prozess, bei dem Hersteller und Anwender miteinander eine Idee umsetzen. Das Thema „Open Communication in Automation“/Steuerungsgeräte mit Busanbindung verändert sich zur Zeit sehr stark. Hierbei muss man die Einflüsse auf die Steuerungsebene und die Feldebene unterscheiden. Insbesondere in der Feldebene sind die Potenziale für die Senkung der Installationskosten beinahe erschlossen.

Dynamischer Wandel steht an

Erhöhte Potenziale im Umfeld der Pneumatik bietet die Evolution der Gerätelandschaft durch die Integration von Funktionen und Technologien. Voraussetzung hierfür ist jedoch eine performante Anbindung an die Steuerungsebene und damit die Verwendung von Industrial-Ethernet-Protokollen als Daten-Backbone der Maschinen und Anlagen. Die etablierten Feldbusprotokolle werden weiterhin im nächsten Jahrzehnt eine wichtige Rolle für die Massenanwendungen haben. Die Ventilinsel entwickelt sich zu einem multifunktionalen Terminal, die komplette Subfunktionen einer Maschine beziehungsweise Teilprozesse in einer Anlage flexibel abdeckt. Front-End-Control, Pneumatik, Signalverarbeitung, Sicherheitstechnik und Networking sind hierbei die Schlüsseltechnologien. Diese Tendenzen zeigten sich in Kundenprojekten und erste Produkte beispielsweise von Festo sind schon verfügbar.

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