Dezentrale I/O-Lösungen an sich sind nichts Neues. Sie werden aber immer wichtiger in modernen Automatisierungs- und Maschinenkonzepten, die zunehmend modular aufgebaut sind. Zunehmend heißt es: weg vom zentralen Schaltschrank hin ins Feld.
Wenn robuste I/O-Technik in Schutzart IP67 eingesetzt wird, führen Anwender die Leitungen der Sensoren direkt im Feld auf einen I/O-Verteiler vor Ort. Dieser führt dann entweder passiv als Multipolkabel oder aktiv als Feldbusgerät die Signale zur Steuerung im Schaltschrank. Im Vergleich zur Punkt-zu-Punkt-Verdrahtung spart der Anwender dabei Kosten für die Anschlusstechnik und die Verdrahtung. Zudem ergibt sich ein Zeitvorteil beim Aufbau der Maschine beim Kunden. Statt viele einzelne Leitungen zum Schaltschrank zu führen, reichen bei Feldbus- oder Ethernet-Systemen in der Regel eine Kommunikationsleitung und eine Spannungsversorgung aus, um die I/O-Ebene an die Steuerung anzubinden. Die Peripherie kann schon vorab beim Maschinenbauer mit der dezentralen I/O-Technik verdrahtet werden.
Modularität zu Ende gedacht
Der Weg der Dezentralisierung muss bei modularen Maschinen jedoch zu Ende gedacht werden. Module, die für jeden einzelnen Kunden mit individueller Steuerungstechnik versehen, aufwändig verdrahtet und beim Kunden in Betrieb genommen werden müssen, erreichen ihr Ziel, Kosten durch Standardisierung zu senken, nicht. Ein autarkes Modul muss seine Steuerung selbst mitbringen, um standardisiert gefertigt werden zu können. Die Steuerung sollte möglichst flexibel sein, um Kundenwünschen nach einem bestimmten Feldbus- oder Ethernet-Protokoll gerecht zu werden.
Im Idealfall benötigen modulare Maschinen keinen Schaltschrank mehr, und wenn doch, dann nicht an jedem Modul einen eigenen. Viele Komponenten gibt es mittlerweile als IP67-Varianten, etwa die kompakten Codesys-3-Steuerungen TBEN-L-PLC von Turck, die ohne Schaltschrank auskommen.
Bei modularen Maschinen ist es üblich, dass die zentrale Steuerung der Gesamtanlage beispielsweise über Profinet mit der Steuerung des Maschinenmoduls kommuniziert. Hauptsteuerung und Modulsteuerung tauschen jedoch nur noch Status-, Zustandsdaten und zum Beispiel Aufträge aus. Die Steuerung des Moduls läuft über die dezentrale Kompakt-SPS. Das entlastet die zentrale Steuerung und hält die Leitungswege für Sensoren und Aktoren im Maschinenmodul kurz. Zudem können solche Module zum Aufbau beim Kunden besser vorverdrahtet werden. Zum Anschluss an die zentrale Steuerung müssen lediglich eine Ethernet- und eine Spannungsversorgung angebunden werden.
Die in den SPS-Modulen verwendete Steuerungssoftware Codesys ist als herstellerübergreifende Programmierplattform im Markt verbreitet und hat sich bewährt. Sie gilt inzwischen als Quasi-Standard für IEC-61131-3-Programmierung. Aufgrund der großen und aktiven Nutzer-Community gibt es bereits sehr viel Know-how, das in diversen Foren geteilt wird und durch jeden Nutzer abgerufen werden kann. So hat sich Codesys als günstige, effiziente und zukunftssichere Steuerungsplattform im industriellen Umfeld etabliert.
Master- und Slave-Funktionen
Aufgrund ihrer Vielzahl an Schnittstellenfunktionen als Slave und Master für unterschiedliche Netzwerke erschließt Turcks TBEN-L-PLC weitere Einsatzszenarien. Maschinenbauer können ein Maschinenmodul mit identischer Hardware fertigen, die dann softwareseitig zum Einsatz an unterschiedlichen Steuerungen befähigt werden kann. Die IP67-SPS kann als Master oder Slave in Netzwerken mit Profinet, EtherNet/IP, Modbus TCP, Modbus RTU (RS485) sowie CANopen und SAE J 1939 (nur Slave) eingesetzt werden.
Steuerungen wie die TBEN-L-PLC, die Master- und Slave-Funktionen für unterschiedliche Protokolle unterstützen und auch beide Rollen gleichzeitig ausführen können (bei unterschiedlichen Protokollen), sind in der Lage, vom einen ins andere Protokoll zu übersetzen. Sie können beispielsweise als CANopen-Manager eines mit CANopen vernetzten Maschinenmoduls agieren und dieses an eine Anlage anbinden, die mit Profinet vernetzt ist. Im Zug der zunehmenden Digitalisierung industrieller Produktionsprozesse kann die PLC so bestehende Maschinenkonzepte fit machen für die Herausforderungen einer eng vernetzten, hochflexiblen Produktion. Das ist eine Antwort auf die Frage, wie denn bestehende Maschinen und Anlagen im Rahmen der Evolution einer Industrie 4.0 von den Effizienzsteigerungen und der erhöhten Transparenz profitieren können.
Protokollkonverter für CANopen
Davon profitieren insbesondere Anlagenbetreiber, die ihre Anlagen und Maschinen an übergeordnete ERP- oder MES-Systemen anbinden möchten und daher zunächst ihre Maschinen mit Industrial Ethernet vernetzen wollen. Eine Vernetzung mit Ethernet-fähigen Komponenten bis zur untersten Automatisierungsebene ist aber betriebswirtschaftlich nicht unbedingt ratsam und automatisierungstechnisch selten notwendig. Bestehende Ventilinseln oder Antriebe, die häufig CANopen sprechen, können mit der TBEN-L-PLC auch in Industrial-Ethernet-Netzwerken genutzt werden. Die Steuerung agiert dann beispielsweise in einem Profinet-Netzwerk als Profinet Device (Slave) und übersetzt diese Kommunikation als CANopen-Manager für die CANopen-Devices im CAN-Netzwerk.
Da CANopen im Bereich der Antriebstechnik und der Pneumatik weit verbreitet ist, bietet sich diese Protokollkonverter-Option dort besonders an. Die technischen Vorteile einer kompletten Neu-Installation von Antriebstechnik und Pneumatik mit Industrial-Ethernet-Schnittstellen rechtfertigen in den meisten Fällen nicht die Kosten, die eine durchgehende Ethernet-Vernetzung mit sich bringt. Viele der Komponenten sind zudem oft auch nicht mit Ethernet-Schnittstelle verfügbar.
Da immer mehr mobile Maschinen aufgrund der zunehmenden Datenmengen mit Ethernet vernetzt werden, kann auch hier der Einsatz von Protokollkonvertern hilfreich sein. Gerade wenn der Anwender Peripherie-Geräte mit CANopen-Schnittstelle einsetzen will, mit denen er gute Erfahrung gemacht hat oder von denen noch kein Pendant mit Ethernet-Schnittstelle existiert.
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