Dezentrale Steuerungen für die Fabrik der Zukunft entwickeln

Viele Diskussionen zum Thema Industrie 4.0 lassen gelegentlich die entscheidende Erkenntnis vermissen, dass eine digitale Fabrik nicht nur Produkte herstellt, sondern auch eine Instanz ist, die Informationen sammelt und verarbeitet. Gerade diese Erkenntnis verdeutlicht jedoch die Notwendigkeit, möglichst alle Vorgänge in der Fabrik zu erfassen und zu messen und die daraus resultierenden Informationen mit dem Ziel zu verarbeiten, übergeordnete Korrelationen und Verbesserungen zu erreichen.

Systeme zum Aufbau einer intelligenten digitalen Fabrik werden anders sein als bisher – sowohl was die Stückzahl als auch die Komplexität betrifft. Zum Beispiel wird die Anzahl der Sensoren in einer Fabrik enorm steigen, wobei sich deren Verarbeitungs- und Kommunikationsfähigkeiten grundlegend ändern werden. Statt einer weiteren Zentralisierung werden die Steuerungssysteme verstärkt dezentralisiert angelegt – mit Auswirkungen auf die Anforderungen an ihre Kommunikationsfunktionen und Abmessungen. Ferner erhalten Systeme, die von vornherein mit allen Kommunikationsfunktionen ausgestattet sind, eingebettete Sicherheitsmechanismen.

SPS steuert SPS-Produktion

Es gibt zahlreiche Beispiele für digitale Fabriken, die die Konzepte der Industrie 4.0 aufgreifen und die Vorteile einer solchen Hyperautomatisierung verdeutlichen. Beispielsweise produziert Siemens im Elektronikwerk Amberg speicherprogrammierbare Steuerungen (SPS) der Reihe Simatic mit Produktionsmethoden, die Fachleute als Essenz der Industrie 4.0 betrachten. Die Fertigung ist weitgehend automatisiert, sodass Maschinen und Computer 75 Prozent der Wertschöpfung bewältigen. Der Clou dabei ist, dass rund tausend Simatic-Steuerungen die Herstellung von Simatic-Produkten steuern – vom Produktionsbeginn bis zur Auslieferung.

Bild 1: Referenzdesign für einen optischen Näherungssensor mit IR-Empfänger, IR-LED-Treiber, IO-Link-Transceiver und Abwärtswandler. Maxim Integrated

Ein solch hoher Automatisierungsgrad bewirkt eine erhöhte Produktivität, sodass sich der Ausstoß des Werks verachtfacht hat. Pro Jahr verlassen etwa 15 Millionen Simatic-Produkte die Fabrik – dies entspricht einer Steuerung pro Sekunde. Die Produktionsqualität liegt dabei auf einem noch nie dagewesenen Niveau von 99,99885 Prozent.

Das Elektronikwerk Amberg von Siemens ist nur ein Beispiel für die praktische Umsetzung des Projekts Industrie 4.0. Was das Beispiel nicht explizit aussagt, aber andeutet, ist der Wandel in der Architektur der Automatisierungssysteme. Aus der Beschreibung der Fabrik resultieren drei Haupteigenschaften, die die Systemarchitektur aufweisen muss.

Dezentrale statt zentrale SPS

So kommen statt einer zentralen SPS mit den Abmessungen eines Schaltschranks tausend dezentrale Steuerungen zum Einsatz. Hinzu kommt, dass die Maschinen, die 75 Prozent der Geräte selbständig produzieren, Informationen von zahlreichen Sensoren beziehen müssen. Von den Sensoren verlangt die Produktionsstraße, dass sie genaue Temperaturen, beispielsweise eines Motors, übermitteln.

Industrie 4.0 manifestiert sich auch in Gestalt eines Düsentriebwerks von GE, das nicht nur für maximale Schubkraft, sondern auch für maximale Datenerfassung ausgelegt ist. Das Triebwerk GEnx enthält 26 Sensoren, die sechzehnmal pro Sekunde 300 Parameter messen, sodass GE während eines durchschnittlichen Flugs rund 150 Millionen Datenelemente verarbeiten kann.

Bild 2: IO-Link-basierendes Temperatursensor-Referenzdesign von Maxim auf Basis eines Widerstandstemperaturfühlers. Maxim Integrated

Mit einer Senkung des Kraftstoffverbrauchs um 15 Prozent gegenüber Triebwerken der vorigen Generation sowie der Aussicht, die Stillstandszeiten durch vorbeugende Wartung zu reduzieren, erreicht das Triebwerk GEnx die höchsten Verkaufszahlen in der Geschichte von GE Aviation. Auch dieses Beispiel zeigt, wie intelligente Sensoren detaillierte Leistungsdaten aus einem Produktionsprozess heraus senden können.

Entwicklungstrends bei Sensoren

Aus der Umstellung von Produktionsanlagen auf Industrie 4.0 ergeben sich zwei entscheidende Trends bei der Entwicklung von industriellen Sensoren. Einerseits weisen die Sensoren immer kleinere Abmessungen auf, während der Umfang der von ihnen erfassten und übermittelten Informationen steigt. Beide Trends resultieren aus der Notwendigkeit, immer mehr Daten aus der Fabrik zu erfassen und auszuwerten und so ein wichtiges Element der Industrie 4.0 zu erfüllen.

Bild 3: Diese Darstellung der analogen und digitalen Bauteile einer Mikro-SPS verdeutlicht die bei Mikro-SPSs bestehenden Herausforderungen bezüglich der Systemintegration. Maxim Integrated

Ein Beispiel für diese beiden Entwicklungstrends sind intelligente Sensoren, die Informationen mit Protokollen wie zum Beispiel IO-Link übertragen. IO-Link verbreitet sich von allen Sensor-Kommunikationsprotokollen für die Fabrikautomatisierung am schnellsten.

Seit den 1980er Jahren schaffen industrielle Feldbusse die Voraussetzungen für die Entwicklung von intelligenten Geräten, eine zügigere Installation mit weniger Verkabelungsaufwand und eine einfachere Instandhaltung. Allerdings hat das Fehlen eines einheitlichen universell akzeptierten Feldbusses auch Verwirrung gestiftet sowie Probleme bei der Schulung, hohe Kosten und Schwierigkeiten mit der Kompatibilität zwischen Anlagen verursacht. IO-Link ist das erste offene Feldbus-diagnostizierende und kostengünstige serielle Punkt-zu-Punkt-Kommunikationsprotokoll für die Kommunikation mit Sensoren und Aktoren.

IO-Link – USB für Sensoren

Die Punkt-zu-Punkt-Kommunikation von IO-Link beruht auf dem etablierten dreiadrigen Anschluss für Sensoren beziehungsweise Aktoren und wurde als internationaler Standard (IEC 61131-9) weltweit für die Kommunikation mit Sensoren und Aktoren übernommen. Als eine Art „USB für Sensoren“ ist IO-Link einfach anzuwenden, leicht implementierbar und in der Lage, Daten von Sensoren einzuholen.

Derzeit bieten Hersteller von Automatisierungssystemen auf IO-Link basierende intelligente Sensoren an, um ihre Vision des vernetzten Unternehmens zu propagieren. Der Begriff Connected Enterprise oder vernetztes Unternehmen wurde von Rockwell Automation für seine kommende Generation von digitalen Fabriken geprägt.

Ein Beispiel für einen der neuen Sensorsysteme zeigt Bild 1. Zu sehen ist ein IO-Link-Näherungssensor mit IR-Empfänger, IR-LED-Treiber, IO-Link-Transceiver und Abwärtswandler auf einer Leiterplatte mit 8,2 mm x 31,5 mm. Um das Sensor-Subsystem auf so wenig Platz zu implementieren, ist ein hoher Integrationsgrad der Halbleiterbauelemente erforderlich.

Temperatursensor-Referenzdesign mit IO-Link

Da Näherungssensoren die Entfernung zu bestimmten Objekten detektieren, reicht in diesem Beispiel die Übertragung eines digitalen Ein/Aus-Signals, das den Abstand signalisiert. Oft müssen Sensoren jedoch Farb- oder Temperaturinformationen sowie die Entfernung zu einem bestimmten Objekt aufnehmen und kommunizieren. Ein Beispiel für einen solchen Sensor zeigt Bild 2. Gezeigt ist ein auf IO-Link basierendes Temperatursensor-Referenzdesign mit Widerstandstemperaturfühler (RTD). Das Design lässt sich mit PT100-RTDs in Zwei-, Drei- oder Vierleiter-Ausführung verwenden und nutzt einen integrierten RTD-zu-Digital-Wandler sowie eine IO-Link-Lösung zur Bereitstellung von Temperaturinformationen mit einer Auflösung von bis zu 15 Bit.

Bild 4: Integrierte Analogtechnik zum Skalieren einer Micro-PLC, eine Technologiedemonstrations-Plattform von Maxim. Maxim Integrated

Eine weitere Veränderung bei den Systemarchitekturen, die auf Industrie 4.0 zurückzuführen ist, ist der zunehmende Einsatz verteilter (dezentraler) Steuerungen. Angesichts der vielen Sensoren in Anlagen oder Prozessen ist es unmöglich, jeden einzelnen Sensor mit einer zentralen SPS zu verbinden. Stattdessen ordnet man eine große Zahl von dezentralen Steuerungen näher an der jeweils zu steuernden Linie an. Industrie 4.0 erfordert eine Miniaturisierung der SPS, damit es möglich ist, die Rechenleistung aus den heutigen zentralisierten Steuerungen in den Leitwarten der Fabriken näher an die Maschinen in den Fabrikhallen zu verlagern.

Dadurch erhalten Fabriken eine höhere Fertigungsflexibilität und mehr Transparenz bezüglich des Betriebszustands der einzelnen Produktionslinien. Durch die Installation von vielen dezentralen Mikro-SPSs lassen sich schnelle Entscheidungen zur Verbesserung des Durchsatzes sowie zum Konfigurieren der Sensoren und Aktoren für unterschiedliche Produktionsoptionen treffen und Daten für die Auswertung in der Cloud erfassen. Ein Beispiel hierfür ist das erwähnte Werk von Siemens in Amberg mit seinen tausend dezentralen SPSs. Insgesamt bedeutet dies, dass kompakte und energieeffiziente SPS-Systemarchitekturen erforderlich sind.

Analoge Schaltungsfunktionen integrieren

Das größte Problem bei der Miniaturisierung speicherprogrammierbarer Steuerungen besteht darin, die Abmessungen der Analog- und Mixed-Signal-Schaltungen zu verringern. Die meisten Ingenieure vertreten noch immer die Auffassung, die Digitaltechnik sei die beste Möglichkeit, um den Platzbedarf zu reduzieren. Digitale ICs aber belegen in SPS-Modulen mit 15 bis 20 Prozent nur einen kleinen Teil der Leiterplattenfläche. Eine Abschätzung der analogen und digitalen Funktionen in den I/O-Modulen für die Micro-PLC, eine Technologiedemonstrations-Plattform von Maxim Integrated, zeigt Bild 3.

Bild 5: Die SPS-Entwicklungsplattform Pocket-IO von Maxim. Maxim Integrated

Analoge Bauelemente beanspruchen bis zu 85 Prozent der in SPS-Modulen verfügbaren Leiterplattenfläche und lassen sich leider nicht im gleichen Umfang wie digitale ICs skalieren. Eine intelligente Analogintegration, zum Beispiel durch Integrieren der Isolation in I/O-Bausteine oder von LDOs in RS-485-Komponenten, ist entscheidend für die Planung von dezentralen Steuerungen als wichtige Elemente in der Industrie 4.0.

Maxim war bei der intelligenten Analogintegration stets an vorderster Front dabei und konnte zeigen, wie seine Analogchips zur Realisierung der weltweit kleinsten SPSs beitragen. Auf der electronica 2014 hat Maxim die Micro-PLC-Demonstrationsplattform im Handheld-Format gezeigt. Die 24 I/O-Kanäle der Micro-PLC teilen sich in digitale, analoge und IO-Link-I/Os auf (Bild 4). Dieses Jahr geht Maxim einen Schritt weiter und präsentiert die SPS-Entwicklungsplattform Pocket-IO (Bild 5).

SPS-Entwicklungsplattform Pocket-IO

Pocket-IO veranschaulicht, wie dezentrale Steuerungen in den Fabriken der Zukunft aussehen werden. Die Steuerung ist um den Faktor 2,5 kleiner als die vorige Micro-PLC-Plattform von Maxim und beansprucht ein Volumen von rund 164 cm³. Pocket-IO ist damit das industrieweit kleinste System mit einer um 30 Prozent reduzierten Leistungsaufnahme. Zurückzuführen sind diese Merkmale auf die industriellen Stromversorgungsprodukte von Maxim, die auf einer proprietären analogen Prozesstechnologie basieren und einen Wirkungsgrad von über 90 Prozent erreichen. Die flexible Konfiguration von Pocket-IO punktet mit über 30 I/Os, die sich für die Fertigungs- und Prozessautomatisierung ebenso konfigurieren lassen wie für Fertigungslinien und andere Steuerungssysteme, beispielsweise in der Robotik oder in der Gebäudeautomatisierung.

Bild 6: Das Zusammenwirken von über 50 ICs bildet die Grundlage der Architektur von Pocket-IO. Maxim Integrated

Für den geringen Platz- und Energiebedarf von Pocket-IO ist das Zusammenspiel von über 50 ICs von Maxim verantwortlich (Bild 6). Darunter befinden sich isolierte Abwärtswandler- und synchrone Abwärtswandlertechnologie mit über 90 Prozent Wirkungsgrad (MAX17681, MAX17502) sowie IO-Link-Master mit integriertem IO-Link-Master-Softwarestack (MAX14824). Darüber hinaus enthält Pocket-IO Sigma/Delta-ADCs mit 24 Bit und unterstützende Verstärker (ADC MAX11254, Operationsverstärker MAX44248/MAX44267), ein Serializer-IC mit Digitaleingang (MAX31913) sowie achtkanalige Digitalausgangstreiber für 0,5 A Dauerstrom (MAX14912). Integriert sind ferner 3 mm x 3 mm große Treiber für Gleichstrommotoren (MAX14870) und Inkremental-Encoder-ICs (MAX14890). Bis ±35 kV ESD-geschützte isolierte RS-485-Ports zur Unterstützung der Profibus-Anbindung (MAX14850 – monolithische Isolation, MAX14783 – Profibus) tragen ebenfalls zum geringen Platz- und Energiebedarf von Pocket-IO bei.

Die Programmierung von Pocket-IO erleichtert die Arduino IDE (Integrated Development Environment). Diese Umgebung wurde wegen ihrer weltweiten Verbreitung und Kompatibilität zu Windows, Mac und Linux gewählt.

Vollautomatische Fußballprüfanlage als Demo

Produkte von Maxim ermöglichen die Entwicklung von Systemen, die genau die Abmessungen und Leistungsaufnahme bieten, die als unverzichtbare Voraussetzung für Automatisierungssysteme der nächsten Generation gelten. Die Systeme müssen klein sein, mit passiver Kühlung auskommen und dennoch genügend Intelligenz mitbringen, um lokale Steuerungsentscheidungen zu treffen und Prozessinformationen zu sammeln und weiterzugeben.

Bild 7: Bei der Pocket-IO-Demo zur electronica 2016 handelt es sich um eine vollautomatische Anlage zum Prüfen von Fußbällen. Maxim Integrated

Maxim hat eine Reihe solcher Systeme – teils als Referenzdesigns von Maxim entwickelt, teils Produkte von Automatisierungsanbietern wie Sick und Rockwell Automation – zu einer vollautomatischen Fußballprüfanlage kombiniert, die auf der electronica 2016 auf dem Messestand des Unternehmens in Halle A4, Stand 279, gezeigt wird (Bild 7).

Mithilfe von zahlreichen IO-Link-bestückten Sensoren und der Pocket-IO-Plattform prüft die Anlage Fußbälle mit regelkonformer Größe auf Gewicht, Sprunghöhe, Rundheit und Druck. Den gesamten Ablauf steuert ein iPad, das drahtlos mit der vernetzten Anlage verbunden ist.

Diese hochautomatisierte digitale Anlage versinnbildlicht eine Industrie-4.0-Fabrik, in der die automatische Fertigungslinie über IO-Link-Sensoren umfangreiche Daten an die dezentrale Steuerung vor Ort (in diesem Fall die Maxim Pocket-IO-Demonstrationsplattform) überträgt. Sämtliche Entscheidungen werden somit schnell auf lokaler Ebene gefällt, sodass die Anlage flexibel auf die Produktanforderungen reagiert. Über 100 ICs von Maxim befinden sich in verschiedenen Subsystemen im Einsatz, die in den Automatisierungssystemen der Anlage zum Steuern, Erfassen und Aktualisieren dienen.

(hb)