Feldgeräte Der innovative Weg zu „Plug and Produce“

Autor / Redakteur: Thomas J. Schöpf * / Kristin Rinortner

Im Beitrag wird die Entwicklung kompakter Feldgeräte vorgestellt, die den Schlüsselfaktoren von „Industrie 4.0“ und aktuellen Trends im Maschinenbau und in der Automatisierung Rechnung tragen.

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Kompakte Feldgeräte: LioN-P ist das Flagschiff einer Familie kompakter, multifunktionaler und zukunftssicherer Feldgeräte von Lumberg Automation.
Kompakte Feldgeräte: LioN-P ist das Flagschiff einer Familie kompakter, multifunktionaler und zukunftssicherer Feldgeräte von Lumberg Automation.
(Bild: Belden)

Die Herstellung maßgeschneiderter Produkte zum Preis eines Massenproduktes erfordert größere Flexibilität und einen effizienteren Einsatz von Ressourcen und Energie. In Deutschland haben sich Wirtschaft und Wissenschaft in der Vision „Industrie 4.0“ zusammengeschlossen, um neue Produktionsansätze zu entwickeln, welche sich das Internet der Dinge, Daten und Dienste zu Nutze machen [1].

Im Mittelpunkt von „Industrie 4.0“ steht dabei die vernetzte intelligente Fabrik (Smart Factory), die nur das produziert, was benötigt wird. Dabei werden intelligente Maschinen, Produktionsanlagen und Lagersysteme als Cyber-Physikalische Systeme (CPS) vernetzt. Diese Systeme können selbständig Informationen austauschen, Aktionen ausführen und sich gegenseitig steuern. Selbst die Bauteile, aus denen ein Produkt entstehen soll, sind Informationsträger, kommunizieren mit Mensch und Maschine und tauschen aktuelle Zustandsdaten aus.

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Die Daten- und Informationsanalyse von Bauteilen, Maschinen und Prozessen erlaubt es, Fehler zu beheben, bevor sie auftreten. Durch die spontane Vernetzung von Mensch, Maschine und Bauteilen wird die Fabrik der Zukunft flexibler und widerstandsfähiger gegenüber unvorhersehbaren Ereignissen.

Im vorliegenden Beitrag wird die Entwicklung einer neuen Produktfamilie kompakter Feldgeräte und der zugehörigen Anschlusstechnik vorgestellt, die den Schlüsselfaktoren von „Industrie 4.0“ sowie aktuellen Trends im Maschinenbau und der Systemintegration der industriellen Automatisierung Rechnung tragen: vornehmlich dem Trend vom Schaltschrank in die Feldebene und der Forderung nach schnelleren Steuerungszyklen für zeitkritische Anwendungen wie etwa der Auslösung von Kamerasystemen innerhalb weniger Mikrosekunden.

Trends in der industriellen Automatisierung

Der aktuelle Stand der Technik für die industrielle Automatisierung lässt sich mit der klassischen, in Bild 1 gezeigten Automatisierungspyramide veranschaulichen.

Belden verfügt heute mit den Marken Belden, Lumberg Automation und Hirschmann über alle erforderlichen Netzwerkkomponenten für die Feldebene zum zuverlässigen Austausch von Sensor- und Aktordaten mit einer zentralen speicherprogrammierbaren Steuerung (SPS). Die Realisierung von „Industrie 4.0“ wird voraussichtlich zur Verlagerung eines Großteils der diskreten Steuerungsaufgaben (geschätzte 80%) in die Feldebene bedeuten.

Das Internet der Dinge, Daten und Dienste ermöglicht, wie bereits erwähnt, neue wissensbasierte Dienstleistungen, die nun eine Fernübertragung von Sensor- und Aktordaten bis in eine „Cloud“ (Cloud-Kommunikation) bedingen. Dieser Datenaustausch sollte dieselben Wege wie die der Prozess- und Feldkommunikation benutzen, ohne letztere jedoch zu beeinträchtigen.

Systemlösung für die Feldebene

Die wesentlichen Funktionen heutiger industrieller Automatisierungssysteme, wie z.B. Energieverteilung, Leitungsschutz, funktionale Sicherheit und industrielle Netzwerkinfrastruktur sind in Schaltschränken untergebracht. Für reine Feldinstallationen (IP67 bis IP69K) müssen diese von „Plug-and-Produce“-fähigen Feldgeräten übernommen werden. LioN-Power bezeichnet eine neue Produktfamilie solcher Geräte für die Smart Factory. Zurzeit besteht sie aus aktiven E/A-Modulen, E/A-Hubs, einer programmierbaren Steuerung, Ethernet-Switches samt allen erforderlichen Steckverbindern und Kabeln (Bild 2). Weitere Geräte, wie etwa zur Leistungsverteilung, Spannungsversorgung und Cloud-Kommunikation befinden sich in der Entwicklung.

Steckverbinder und Kabel: Das „Plug-and-Produce“-Konzept für die Feldebene erfordert Steckverbindungen, die internationalen Standards sowie den Schutzarten IP65, IP67 und IP69K (gemäß DIN EN 60529) entsprechen. Umspritzte Rundsteckverbinder mit M8- und M12-Gewinde bieten einen besonders hohen Schutz gegen Feuchtigkeit und Schmutz und sind in vielfältigen Varianten erhältlich.

S-, L-, K- und T-kodierte M12-Power-Steckverbinder von Lumberg Automation (gemäß 61076-2-111/CD ©IEC) bieten eine kostengünstige, zuverlässige und flexible Lösung für eine Stromübertragung bis zu 16 A.

Diese neuen Steckverbinder verringern den Verkabelungsaufwand und benötigen im Vergleich zu klassischen 7/8-Zoll-Steckverbindern deutlich weniger Platz auf dem jeweiligen Endgerät und ermöglichen dadurch ein kompaktes Gerätedesign (Bild 3). L-kodierte M12-Steckverbinder sind auch als die neue Standard 24-V-Geräteverbindung für PROFINET vorgesehen.

Mit L- oder K-kodierten M12-Power-Steckverbindern konfektionierte Anschlussleitungen mit einem Leiterquerschnitt von 2,5 mm2 sorgen für geringe Übertragungsverluste bei hohen Temperaturen bis 125 °C.

Noch kompaktere Kabelführung und einfachere Installationen lassen sich mit Y-kodierten M12-Steckverbindern gemäß 61076-2-113/CD©IEC erreichen (Bild 3), welche Leistungs- und Datenübertragung in einem Kabel ermöglichen (6 A/24 V, 100 MBit/s).

Aktive E/A-Module: Aktive E/A-Module dienen zur Anbindung von Sensoren und Aktoren, um deren Daten über ein industrielles Ethernet-Netzwerk an eine SPS zu übertragen.

Aus den zahlreichen industriellen Ethernet-Protokollen werden PROFINET, EtherNet/IP und EtherCat als besonders erfolgversprechend angesehen.

Die schiere Anzahl der heute installierten verschiedenen Protokolle sowie die jeweilige regionale Präferenz erfordern einen zusätzlichen Aufwand beim Bau von Maschinen und Anlagen für den globalen Einsatz.

Moderne aktive E/A-Module mindern diesen Aufwand, indem sie mehrere Protokolle in einem Gerät unterstützen und dadurch in unterschiedlichen Netzwerken eingesetzt werden können.

Bei allen Multiprotokoll E/A-Modulen der Familie LioN-Power kann das erforderliche Protokoll sehr komfortabel mittels Drehschalter eingestellt werden.

Auf der Ein-/Ausgangsseite hat sich IO-Link als leistungsfähiger und zukunftsträchtiger Standard etabliert. So hat zwischen 2012 und 2014 die Zahl der installierten IO-Link-Knoten jährlich um durchschnittlich 79 % zugenommen.

IO-Link entspricht dem internationalen Standard IEC 61131-9, ist unabhängig vom Netzprotokoll und ermöglicht eine umfassende Diagnose und Parametrierung von Sensoren und Aktoren. Aktive E/A-Module bieten neben IO-Link-Ports auch digitale Ein- und Ausgänge für größere Flexibilität und Funktionalität.

Alle LioN-Power IO-Link Master führen IO-Link-Ports der Klasse A und stromstärkere Ports der Klasse B (beide über M12 A-kodiert oder M8 5-polig) zum Anschluss von Endgeräten höheren Leistungsbedarfs.

Aktive E/A-Module müssen mit der zunehmenden Miniaturisierung Schritt halten und den aktuellen Sicherheitsanforderungen an elektrische Geräte nach UL 61010-1 entsprechen. Geringe Geräteabmessungen lassen sich durch den Einsatz von M12-Y-kodierten Hybrid-Steckverbinder in Kombination mit M8-Steckverbindern (gemäß IEC 61076-2-104) für alle E/A-Anschlüsse erreichen (Bild 3).

E/A-Hub: E/A-Hubs sind IO-Link-Slave Geräte, die eine Erweiterung von Maschinen und Anlagen ermöglichen. Hierzu wird die Punkt-zu-Punkt-Kommunikation von IO-Link zur Leistungs- und Datenübertragung von bis zu 16 digitalen E/A über Entfernungen bis zu 20 m genutzt. Für längere Distanzen (bis zu 100 m) und/oder mehr als 16 E/A-Ports (in Reihe) sind Subbus-Lösungen wie das LioN-Link-System erhältlich.

Dezentrale Steuerung (Distributed Control Unit, DCU)

Dezentrale, in einem Netzwerk kollaborierende Steuerungseinheiten (DCU), sind cyber-physikalische Systeme und können durch aktive E/A-Module mit integrierter speicherprogrammierbarer Steuerungseinheit realisiert werden. Damit sind diese Module in der Lage, neben der Übertragung von Ein- und Ausgangsdaten diese auch zu verarbeiten: von einfachen logischen Funktionen bis hin zur Lösung komplexerer Steuerungsaufgaben.

Beispielsweise kann die DCU in einer typischen Sortierförderanlage die Aufgabe übernehmen, Teile oder Werkstückträger mithilfe ihrer Barcode- oder RFID-Information an entsprechender Stelle auf ein anderes Band umzulenken oder vom Band zu stoßen (Bild 2). Solche und ähnliche Aufgaben (z.B: die eines Drehtisches oder Werkzeugwechslers) kann eine DCU entweder als Slave einer zentralen SPS oder als unabhängige Steuerung übernehmen.

Die Rechenkapazität einer DCU kann außerdem dazu genutzt werden, um Diagnosedaten für eine vorbeugende Wartung und andere Cloud-Dienste aufzubereiten. Die Cloud-Kommunikation muss parallel auf der vorhandenen Netzinfrastruktur erfolgen und darf die Prozesskommunikation nicht beeinträchtigen. OPC UA wird dabei als zukunftsträchtigstes Standardprotokoll für Kompatibilität angesehen.

Ethernet-Switches: Die Nachfrage nach feldtauglichen Ethernet-Switches wächst mit der Zahl Ethernet-fähiger Endgeräte. Die meisten aktiven E/A-Module und hochwertigen Ethernet-Sensoren ermöglichen heute durch den integrierten 2-Port-Switch eine Verkettung (Daisy Chain), die jedoch bald nicht mehr ausreichen dürfte. Gegenwärtig reichen Ethernet-Switches mit 100-MBit/s-
Ports (M12 D-kodiert) für die meisten industriellen Anwendungen noch aus.

Der Hybridanschluss (M12, Y-kodiert, Bild 3) bietet leistungshungrigen Feldkomponenten eine direkte Verbindung in das industrielle Ethernet sowie eine zweifache Leistungsversorgung zu je 24 V/6 A. Damit ist der Hybridanschluss auch den stärksten POE-Anschlüssen (48 V/25,5 W) überlegen.

Fazit

Für die Umsetzung von Industrie 4.0 ist die Entwicklung und Implementierung internationaler Standards sowie die Konstruktion kompatibler „Plug-and-Produce“-Systeme und -Komponenten entscheidend. Die neue Familie kompakter Feldgeräte, LioN-Power, basiert auf den neuesten internationalen Standards, bietet eine speicherprogrammierbare Steuerungseinheit (DCU) und stellt eine sichere Cloud- und Prozesskommunikation sicher. Dadurch ermöglicht LioN-Power cyber-physikalische Systeme sowie neue Cloud-Dienste und lässt damit die Realisierung von Industrie 4.0 ein gutes Stück näher rücken.

Literatur

[1] Bauer, K. et al.: „Umsetzungsempfehlungen für das Zukunftsprojekt INDUSTRIE 4.0 – Abschlussbericht“, http://www.acatech.de, 04/2013.

* Dr. Thomas J. Schöpf ist Director R&D bei der Belden Deutschland GmbH in Neckartenzlingen.

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