09. September 2011

Effizient und flexibel in allen Lebenszyklusphasen

Beitrag aus openautomation 4/2011


Dynamische Märkte fordern vielfältige Produktvarianten bei kurzen Liefer­zeiten und geringeren Margen. Als Anforderungen an die Produktion resultieren daraus eine schnelle Time to Market, hohe Flexibilität und Verfügbarkeit. Die Lösung liegt in einem durchgängigen, abgestimmten Automatisierungsangebot, wie es Siemens mit Totally Integrated Automation und dem TIA-Portal bietet.


Zeitkritische Signale in der Feldebene sowie große Daten­mengen in der Leit­ebene sind mit Profinet mit einem Bussystem möglich

Bei der Neukonzeption einer Produk­tion bzw. Umrüstung auf eine flexiblere Produktion ist es wichtig, dass die Kostenvorteile nachhaltig über die gesamte Wertschöpfungskette betrachtet werden. Außerdem sollten sie über den Lebenszyklus der gesamten Automatisierung erzielt werden. Wenig zielführend ist es, die reinen Anschaffungskosten zu betrachten. Dabei bietet ein breites, durchgängiges Angebot Planern und Kaufleuten Vorteile – und zwar in jeder Phase des Lebenszyklus einer Anlage. Kostenvorteile können somit von der Projektierung und Inbetriebnahme über den Betrieb bis hin zu Wartung und Service erreicht werden. Erst die Gesamtbetrachtung über alle anfallenden Kosten (Total Cost of Ownership, TCO) erlaubt eine Beurteilung der Wirtschaftlichkeit einer Investition.


Phase Engineering: Effiziente Projektierung
Die optimale Funktionsweise der für die Automatisierung eingesetzten Geräte und Komponenten wird durch deren Parametrierung und Programmierung bestimmt. Dabei können Antriebe gezielt für die jeweiligen Einsatzgebiete und auf minimalen Energieverbrauch parame­triert werden. Daneben bieten Programme in der Steuerung und/oder dem PC-System immer mehr Funktionen. Zudem sind die Systeme heute mehr und mehr vernetzt und eine grafische Bedienoberfläche gehört zum Standard. Diese Funktionsvielfalt und das optimale Zusammenspiel der Geräte und Komponenten können nur dann effizient erreicht werden, wenn die eingesetzte Parametrier- und Programmiersoftware für diese Anpassungsaufgaben optimal ausgelegt ist.

Mit der Engineering Software des TIA-Portals lässt sich eine Anlagen­visualisie­rung intuitiv realisieren

Das Engineering Framework „Totally Integrated Automation Portal“ (TIA-Portal) von Siemens ist speziell für diesen Zweck entwickelt worden. Die für die Parame­trierung und Programmierung verfügbaren Funktionen sind aufgabenorientiert ausgelegt und in der TIA-Portal-Oberfläche einfach aufzurufen und auszuführen. Die erzeugten Daten werden dabei in einer einheitlichen Datenbasis abgelegt. Mehrfache Eingaben von gleichen Daten oder die Gefahr einer Inkonsistenz der Daten, zum Beispiel durch spätere Änderungen, ist damit ausgeschlossen. Häufige Fehlerquellen werden so vermieden und die Projektierung vereinfacht. Für das Erstellen eines SPS-Programms stehen beispielsweise mit Anweisungsliste, Kontakt- oder Funktionsplan sowie Graph und Structured Text fünf spezielle Programmeditoren für die unterschiedlichen Anwendungen zur Verfügung. Die Projektierung einer Anlagenvisualisierung auf einem HMI-System, wie den Siemens-Comfort-Panels, ist ebenfalls vollständig im Portal integriert. So können beliebige Prozessvariablen ohne großen Aufwand visualisiert werden. Im HMI-Editor wird die gewünschte Darstellung der Variable definiert. Anschließend ist der jeweilige Wert aus dem Steuerungsprogramm per drag-and-drop mit dem angelegten HMI-Element zu verknüpfen.

Weitere Vorteile beim TIA-Portal bietet beispielsweise das Bibliothekskonzept, mit dem übergreifend eigene Programme und Bausteine für die HMI-Projektierung, die Steuerung sowie die Antriebsregelung verwaltet werden können. Daneben bringen die Test- und Simulationsfunktionen zusätzliche Zeitvorteile bei Projektierung und Programmierung.


Phase Inbetriebnahme: Einfache Integration von Maschinen und Anlagenteilen
Mit der Programmierung der Maschine oder dem Anlagenabschnitt ist die Inbetriebsetzung in der Regel noch nicht abgeschlossen. Oftmals ist ein Datenaustausch mit weiteren Maschinen in der Fertigungslinie erforderlich oder wesentliche Prozess- oder Produktionskennzahlen sollen an ein überlagertes Visualisierungssystem geliefert werden. Häufig entsteht dabei ungeplanter Aufwand für Protokollanpassungen oder für zusätz­liche Geräte, wie Switches, um unterschiedliche Netzwerke und/oder Bussysteme zu verbinden. Das erforderliche Know-how für die Administration dieser Netzwerke ist dabei ebenfalls ein kritischer Kosten- und Zeitfaktor.

Die Energiemessgeräte Sentron Pac erfassen mit der Auswertesoftware Simatic Powerrate alle Verbrauchs­werte einer Anlage und steigern durch minutengenaue Auswertungen nach Zuordnung der Verbräuche zu den Verbrauchern die Energie­effizienz in der Produktion

Solche Einschränkungen bestehen mit Totally Integrated Automation nicht, da hier Profinet genutzt wird. Profinet ist ein offenes und standardisiertes Bussystem in der Automatisierung. Es basiert auf Ethernet und unterstützt somit die Standardprotokolle der PC-Systeme und Office-Anwendungen, beispielsweise TCP/IP. Zusätzlich können mit Profinet auch zeitkritische Signale, wie sie zwischen Antrieb und Steuerung ausgetauscht werden, übertragen werden. Dies geschieht zur gleichen Zeit wie der übrige Datenverkehr und auf demselben Bus. In der gesamten Anlage, von den zeitkritischen Signalen in der Feldebene bis hin zu den Daten der PC-Systeme in der Unternehmensleit­ebene, ist somit nur ein Bussystem erforderlich. Das spart Aufwand bei der Installation und der Administration.

Phase Betrieb: Schnelle Reaktion auf Kundenanforderungen mit einer flexiblen Produktion
Die Betriebsphase einer Anlage wird bestimmt durch immer individuellere Produkte und kleinere Chargen. Deshalb ist es oftmals erforderlich, ganze Maschinenteile und Anlagenabschnitte häufig umzurüsten. Änderungen in der Hardware können dabei aufwendige Anpassungen im Steuerungsprogramm mit sich bringen. Für die Automatisierung bedeutet das, mit einem möglichst modularen Aufbau den Aufwand für den Umbau gering zu halten.

Die neu vom Profinet-Protokoll unterstützten Funktionen „Option Handling“ und „Shared Device“ bieten die Möglichkeit, Gerätemodule inklusive der elektrischen Ein-/Ausgangssignale zu tauschen, ohne Rückwirkung auf das Steuerungsprogramm der Maschine. Über diese Funktionen können Maschinen mit mehreren unterschiedlichen Konfigura­tionsvarianten mit einem einzigen Softwareprojekt betrieben werden. Das spart zum einen Zeit und Aufwand für die jeweiligen Änderungen und zum anderen werden die Anzahl und der Aufwand für die Versionierung der Projektstände reduziert.

Ein weiterer wesentlicher Faktor in der Betriebsphase sind die Energiekosten. So wird der sparsame Umgang mit der Ressource Energie mehr und mehr zum Wettbewerbsfaktor. Ergänzend zu den modernen energiesparenden Geräten, wie Motoren mit höherer Energieeffizienzklasse oder Frequenzumrichter mit Rückspeisefunktion, kann ein intelligentes Energiemanagement den Energieverbrauch einer Produktion reduzieren. Basis für ein effizientes Energiemanagement ist, dass der tatsächliche Energieverbrauch bekannt ist. Wird eine Produktion mit Totally Integrated Automation automatisiert, sind viele Energieverbrauchsdaten bereits verfügbar. So zeigen beispielsweise das Motor-Management-System Simocode Pro oder die Frequenzumrichter Sinamics die aktuellen Verbrauchsdaten des Motors an. Und sollten in einem Anlagenabschnitt bisher keine Verbrauchsdaten erfasst worden sein, lässt sich dies mit dem Energiemessgerät Sentron PAC an beliebiger Stelle in der Anlage realisieren. Alle Verbrauchsdaten werden an überlagerte Visualisierungssysteme Simatic WinCC und Simatic Powerrate übertragen. Durch die Kombination beider Systeme sind die Kennzahlen aus dem Prozess (zum Beispiel: Was wurde in dem Zeitabschnitt produziert?) und die zu diesem Zeitabschnitt gehörenden Energieverbrauchsdaten in einem System verfügbar. Erst durch die gemeinsame Betrachtung beider Kennzahlenmengen lassen sich die richtigen Maßnahmen für eine Optimierung des Energieverbrauchs ableiten.


Phase Wartung: Integrierte Systemdiagnose und Remote Service
Eine Maschine, die aufgrund eines Fehlers nicht für die Produktion genutzt werden kann, bedeutet einen wirtschaftlichen Verlust. In einigen Prozessen führt der Ausfall einer Maschine zum Stillstand der gesamten Produktion. Um diese Verluste zu begrenzen, müssen Ausfallzeiten vermieden oder im Fall des Eintritts so schnell als möglich beseitigt werden. Die erforderlichen Wartungsarbeiten sind auf ein Minimum zu reduzieren. Dazu bietet Totally Integrated Automation verschiedene Funk­tionen in den Geräten, mit denen Störungen lokalisiert und behoben werden können. So werden beispielsweise die Fehler, die im System auftreten, automatisch erkannt und visualisiert, entweder maschinennah am HMI oder an einem anlagenweiten zentralen Visualisierungssystem (Simatic Maintenance Station). In beiden Fällen erfolgt die Anzeige der Störung in der gewohnten Bedienumgebung.

Durch die zunehmende Anbindung der Maschinen an das Internet besteht auch die Möglichkeit, die Serviceaufgaben „remote“ über einen Fernzugriff durchzuführen. Mit Profinet bietet Totally Integrated Automation ein Bussystem, über das die Automatisierungsgeräte, wie Steuerung, HMI und Antrieb, direkt an das Office-Netz angebunden werden können. Damit besteht dann eine direkte Verbindung zum Internet. Von jeder Engineering-Sta­tion kann dabei auf alle angeschlossenen Geräte zugegriffen werden, auch über Busgrenzen hinweg. Neue Service- und Wartungskonzepte sind somit möglich. Aufgrund der zunehmend vorhandenen Infrastruktur von schnellen Internetverbindungen und den verfügbaren Sicherheitsmechanismen sind diese auch bis in entfernt gelegene Regionen realisierbar.

Die erforderliche Sicherheit und der Schutz gegen Zugriff von außen auf die Anlage werden im Siemens-Spektrum über die Scalance-Produkte erzielt. Besonders die in der Automatisierung typischen Netzstrukturen, wie eine Automatisierungszelle, können damit gezielt abgesichert werden. Firewall-Funktionen sowie Virtual Private Networks sind mit geringem Administrationsaufwand installiert.


Fazit
Um die Anforderungen einer modernen Produktion nach schneller Time to Market, hoher Flexibilität, hoher Verfügbarkeit und reduziertem Energieverbrauch nachhaltig realisieren zu können, bietet Totally Integrated Automation eine gute Basis. So kann der Anwender mit den aufeinander abgestimmten Produkten und einer modernen Engineeringsoftware diese Anforderungen schnell, effizient und zuverlässig umsetzen. So sind in jeder Phase eines kompletten Lebenszyklus Kostenvorteile realisierbar.

Arno Schönhals
Arno Schönhals ist Marketing Manager TIA in der BU Industrial Automation Systems der Siemens AG in Nürnberg.

Weitere Informationen unter www.siemens.de/tia.

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