Embedded-Plattformen für integrierte PLC- und SCADA-Lösungen

Flexible, dedizierte Hardware auf Basis von Standardkomponenten ermöglicht dem Maschinen- und Anlagenbau die Realisierung hoch integrierter und zugleich preisgünstiger Automatisierungslösungen. So können - wie aus der Office-Welt bekannt - auf ein und derselben Plattform individuelle Applikationen für fast alle Anwendungsfälle generiert werden.

Die heutigen Anforderungen an Maschinen und Anlagen hinsichtlich Variantenvielfalt, flexibler Umrüstbarkeit, steigender Produktivität und Ausfallsicherheit wachsen ständig. Gleichzeitig nimmt der Kostendruck zu. Dadurch wird das Steuerungssystem mehr und mehr zu einem entscheidenden Wettbewerbsfaktor. Höhere Effizienz und Kosteneinsparungen werden z.B. durch geringe Engineeringkosten modularer Konzepte von der Einzellösung bis zur flexiblen Zusammenstellung der Komponenten bei verteilten Automatisierungslösungen erreicht.

Mussten früher komplexe Produktionsanlagen mit mehreren zentralen Schaltschränken aufwändig verdrahtet werden, so geht der Trend heute zu einzelnen, flexibel kombinierbaren Maschinenmodulen mit autarker Steuerungsintelligenz. Diese werden vor Ort während der Montage nur noch vernetzt, als Engineeringleistung müssen lediglich noch die Übergabevariablen projektiert werden. Für diese Fälle bieten sich u.a. auch PC-basierte Systeme an, da sie durchgängig standardisiert aufgebaut und von Haus aus vernetzungsfähig sind.

Vom ursprünglichen Ansatz, offene Industrie-PCs für die Steuerung von Maschinen und Anlagen zu verwenden, geht die Tendenz hin zu dedizierten Embedded-Plattformen, die die spezifischen Anforderungen an den industriellen Einsatz variabler erfüllen können:

Hohe Betriebs- und Ausfallsicherheit der Steuerungsrechner durch Verzicht auf mechanische Verschleißteile.
Einsatz preiswerter und langfristig verfügbarer Hardware.
Integration von SPS- und Visualisierungssoftware auf einer Plattform, speziell für modulare Maschinenkomponenten (platzsparende Systemkonzeption, einfache Montage vorinstallierter und getesteter Module durch Vernetzung der einzelnen Komponenten).
Verringerung des Engineeringaufwands durch konsequente Nutzung durchgängiger Hard- und Softwarestandards.
Universelle Feldbusanbindungsoptionen und Einbindung intelligenter Feldgeräte, z.B. Antriebe mit integrierter Soft-SPS zur nahtlosen Datenübergabe an die Kopfstation.
Möglichst einfach zu realisierende Zustandssicherung von Positionen und Stellungen.
Hochperformante, echtzeitfähige Steuerungssysteme für besonders zeitkritische Aufgabenstellungen.

Dedizierte Embedded-Hardware

Der offensichtliche Vorteil aus der Nutzung von PC-Plattformen in Maschinensteuerungen ist ein kostengünstiges System, da preiswerte Standardkomponenten verwendet werden (z.B. CPU, Chipsatz, Speichermodule). Auf Grund der hohen aktuellen CPU-Leistung ist gleichfalls die Entwicklung performanter Steuerungen möglich. Darüber hinaus sind sowohl Programm- und Arbeitsspeicher als auch CPU-Leistung flexibel konfigurierbar. Die immer gleiche Hardware-Konstruktion mit integrierten PC-Standardschnittstellen vereinfacht den gesamten Engineeringprozess.

Nachteilig aus der Verwendung von "Massenware" wirkt sich die begrenzte Bauteileverfügbarkeit aus, da einige Komponenten wie z.B. Chipsatz meist eine Lebensdauer von nur wenigen Jahren aufweisen und schnell von Nachfolgeprodukten abgelöst werden. Zur Kompensation dieses Umstands wurden flexible Embedded-Plattformen entwickelt, z.B. ETX oder auch mit zunehmender Bedeutung COM Express. Diese so genannten COM (Computer-on-Module) sind formfaktor- und verlustleistungsoptimierte Baugruppen, die alle PC-Komponenten enthalten. Sie müssen lediglich über standardisierte Sockel auf einer entsprechenden Trägerplatine bestückt werden, die alle Anschlüsse und Schnittstellen nach außen führt. Diese Technologie gewährleistet, dass

a) ein standardisierter Formfaktor für skalierbare Leistung mit unterschiedlichsten CPU-Architekturen (RISC, CISC) verwendet werden kann, d.h. je nach SPS-Anwendung und evtl. integrierter Visualisierungssoftware sind Rechnerausstattung und somit auch der Gerätepreis konkret auf die Applikation zugeschnitten.
b) der Maschinenbauer von den Produktlebenszyklen der Chiphersteller unabhängig wird, da Basistechnologie und Formfaktor erhalten bleiben und lediglich abgekündigte CPU-Module durch die Nachfolger ersetzt werden müssen. So partizipieren die Verwender automatisch vom technischen Fortschritt.

Spezifische Funktionen für SPS-Anwendungen

Die Trägerbaugruppen der CPU-Module sind mit speziell auf Steuerungsanwendungen ausgerichteten Bausteinen erweiterbar. So wird aus einer Standardbaugruppe eine vollwertige, betriebs- und ausfallsichere Maschinensteuerung. Durch Integration einer Watchdog-Routine können alle Programmabläufe überwacht werden. Im Fehlerfall wird eine Meldung generiert, die ausgewertet werden kann, um entsprechende Maßnahmen einzuleiten (z.B. Programmneustart, Speicherung remanenter Daten etc.). Ebenso schützt eine hardwareseitige Power-Fail-Erkennung beim Spannungsab- bzw. -ausfall vor Datenverlust. Diese Routine überwacht die Versorgungsspannung und löst bei Unterschreitung einer definierten Grenze einen Interrupt aus. Der Interrupt wird von der PLC-Runtime verarbeitet, sodass die Retain-Variablen rechtzeitig genug in das batteriegepufferte SRAM geschrieben und der Zustand des Laufzeitsystems gesichert beendet werden kann. Um der Anwendung die hierfür benötigte Zeit zu bieten, muss das System nicht zwingend mit einer externen USV ausgerüstet sein. Ein integrierter Kondensator oder Goldcap kann bis zu 30 Sekunden nach einem Spannungsausfall die notwendige Spannung bereitstellen. Diese Zeit reicht aus, um komplexe Datensätze abzuspeichern und die Anwendungen gesichert zu beenden.

Auf Grund freier Steckplätze für Feldbus-Module unterschiedlicher Hersteller ist die universelle Anbindung an verschiedene Bussysteme inkl. Industrial Ethernet möglich, z.B. für den Export von Maschinen und Anlagen in solche Länder, in denen bestimmte Feldbusse gefordert sind. Industrial Ethernet kann auch ohne separates Modul über die integrierte Ethernet-Schnittstelle betrieben werden, sofern das Betriebssystem den entsprechenden Protokoll-Stack unterstützt. Weiterhin besteht die Möglichkeit, das Embedded-Gerät ohne hohe Zusatzkosten in verschiedene Feldbussysteme oder zusätzlich in ein übergeordnetes Netzwerk (z.B. ERP, MES) einzubinden.

Für sehr zeitkritische Prozessaktionen (z.B. Gut-Schlecht-Erkennung) eignen sich die Embedded-Systeme besonders, da sie auch mit integrierten digitalen oder analogen E/As ausgestattet werden können. Der Zugriff auf diese E/As wird über die Nutzung der Dual-Port-Memory-Funktionen realisiert. Die frei definierbaren E/As können direkt entsprechenden Event-Task in der SoftPLC zugeordnet werden, sodass die Verarbeitung der Signale schneller erfolgen kann als die definierte Reaktionszeit über den Feldbus.

Betriebssystem und Software

Auf Grund der hinsichtlich Systemverfügbarkeit optimierten Hardware (Low-Voltage-Komponenten, lüfterlose Kühlung, keine rotierenden Teile) bietet sich der Einsatz von Embedded-Betriebssystemen mit Echtzeitfähigkeit bzw. -erweiterung an. Das Image auf einer industrietauglichen CF-Card enthält nur die für SPS- und Visualisierungsanwendungen benötigten Betriebssystemfunktionen. Durch die Anpassung des Betriebssystems spezifisch an die Hardware, z.B. eine besonders schlanke Shell, sowie der hinsichtlich Gesamtleistung optimierten Softwareintegration von Visualisierung und Soft-PLC erhöht sich die freie Systemleistung, da keine für die Applikation unbenötigten Prozesse die CPU beanspruchen.

Die drei wichtigsten Embedded-Betriebssysteme sind derzeit Windows CE, Windows XP Embedded und Embedded Linux. Weil alle drei Betriebssysteme von Haus aus echtzeitfähig sind (Windows CE) bzw. über entsprechende Echtzeiterweiterungen ausgestattet werden können, eignen sie sich auch für entsprechende Anwendungen. Durch diese Vielfalt ist gewährleistet, dass bereits vorhandene Applikationen (z.B. eigene Visualisierungssoftware) ohne großen Migrationsaufwand auf die Embedded-Geräte übernommen werden können.

Fazit

Mit aktuellen CPUs, speziell ausgewählten Standardkomponenten und den entsprechenden Embedded-Technologien sind universelle und preiswerte SPS-Anwendungen besonders für den mittleren Leistungsbereich realisierbar. Zugleich ist auf ein und derselben Plattform auch die Visualisierung lauffähig. Durch die konsequente Nutzung von Standards mit durchgängigen Softwaretools und wegen der einfachen Inbetriebnahme können Engineeringkosten substanziell gesenkt werden. Zudem profitieren die Applikationen von aktuellen technologischen Weiterentwicklungen.