Seit Jahrzehnten sind speicherprogrammierbare Steuerungen (SPS) in der Automatisierung weit verbreitet, und ihre Dominanz wird sich voraussichtlich auch in absehbarer Zukunft fortsetzen. SPS, die für die diskrete Steuerung entwickelt wurden, sind zu einem dominanten Werkzeug in der Industrie geworden. Mit der zunehmenden Komplexität von Industriemaschinen und Fabriksystemen wird es jedoch immer schwieriger, mit SPS alle Automatisierungsaufgaben zu bewältigen – bis hin zur Unmöglichkeit. Moderne Automatisierungssysteme übertreffen die Fähigkeiten von SPS und erfordern von Ingenieuren im Maschinenbau die Integration fortschrittlicherer E/A-, Verarbeitungs- und Steuerungsstrategien in Automatisierungssysteme. Das neue Hardware-System für speicherprogrammierbare Automatisierungssteuerungen (PAC) ist eine bemerkenswerte Erweiterungslösung für SPS-Systeme. Es lässt sich einfach in SPS-Systeme integrieren, um Industriemaschinen um erweiterte Funktionen zu ergänzen und ihre Effizienz zu steigern. Die Frage lautet: Wie lässt sich die Maschineneffizienz verbessern ? Sehen wir uns an, wie integrierte industrielle Systeme (I2S) dies ermöglichen. I2S erzielt signifikante Verbesserungen gegenüber bestehenden SPS-Systemen. Der US-amerikanische, in Privatbesitz befindliche Erstausrüster (OEM) I2S fertigt seit Jahrzehnten erstklassige Walzwerksanlagen und Steuerungssysteme für die Eisen- und Nichteisenmetallindustrie weltweit. I2S ist dank seiner starken technologischen Basis ein Branchenführer. Lange Zeit setzte I2S speicherprogrammierbare Steuerungen (SPS) zur Automatisierung und Steuerung der Walzwerksproduktion ein. In den letzten Jahren wurde das Walzwerkssteuerungssystem modernisiert, um Effizienz und Qualität zu steigern. Zur Verbesserung der Effizienz und Qualität der Stahlerzeugungsanlagen wurde insbesondere das Gamma-Messsystem optimiert, um die Blechdicke präziser zu steuern. Das Gamma-Messsystem ist seit Jahren ein Aushängeschild der I2S-Produktfamilie und nach wie vor beliebt, jedoch sind viele seiner Hardware- und Softwarefunktionen veraltet. Um das System zu aktualisieren und die Maschinen zu verbessern, benötigte I2S eine Lösung mit höherer Auflösung des analogen Eingangssignals für den Anschluss des Gamma-Messsensors sowie eine fortschrittliche Signalverarbeitung. Dadurch konnten analoge Signale vom Sensor erfasst und hochpräzise Dickenmessungen durchgeführt werden, die anschließend von der SPS im Walzwerkssteuerungssystem genutzt wurden. Gamma-Messtechnik: Das Gamma-Messgerät nutzt Americium als konstante Emissionsquelle, die sich im unteren Teil der C-förmigen Rahmenkonstruktion befindet. Im oberen Teil der Konstruktion sind ein Empfänger und ein Vorverstärker untergebracht. Beim Durchgang des Metallstreifens durch den Spalt zwischen Sender und Empfänger absorbiert dieser einen Teil der Strahlung; die absorbierte Menge hängt von seiner Dicke und Dichte ab. Der verbleibende Anteil wird vom Empfänger gemessen und in einen Dickenmesswert für den Streifen umgerechnet. Erster Schritt der Modifizierung: Test mit vorhandener Ausrüstung. Um Zeit und Kosten zu sparen, erprobte I2S zunächst eine erweiterte analoge Mess- und Verarbeitungstechnologie in seinem bestehenden SPS-System. Die analogen Ein-/Ausgänge und die Signalverarbeitung der SPS erreichten jedoch nicht die erforderliche Genauigkeit. I2S musste sicherstellen, dass das auf der SPS laufende Steuerungssystem durch die erhöhten Ein-/Ausgänge und die Verarbeitung nicht beeinträchtigt würde. Daher benötigte das Unternehmen ein System, das analoge Signale vom Gammasensor erfassen, diese zur Berechnung genauer Dickenmesswerte verarbeiten und die Messwerte in das SPS-Steuerungssystem einspeisen konnte. Die verwendete SPS war jedoch nicht für die Hochleistungsverarbeitung und die schnelle analoge Ein-/Ausgabe geeignet. Zweiter Schritt: Falls die vorhandene Ausrüstung nicht funktioniert, andere Methoden ausprobieren. Da die SPS die für den Anschluss des Gamma-Messsensors erforderlichen Ein-/Ausgabe- und Verarbeitungsfunktionen nicht bereitstellen konnte, wandte sich I2S der PAC-Technologie zu. Die Wahl fiel auf den CompactRIO PAC von National Instruments, um die für die Walzwerksqualität notwendige Zusatzfunktionalität zu realisieren. CompactRIO ist ein rücksetzbares Embedded-System, das die Vorteile und die Zuverlässigkeit einer herkömmlichen SPS mit fortschrittlichen Ein-/Ausgabe- und Verarbeitungsfunktionen kombiniert. Alle PACs von National Instruments lassen sich mit den grafischen Programmierwerkzeugen von LabVIEW programmieren, was die Programmierung und Konfiguration vereinfacht. Schritt 3: Hinzufügen erweiterter Ein-/Ausgabe. CompactRIO verfügt über einen eingebetteten FPGA-Chip (Field-Programmable Gate Array) und einen Echtzeitprozessor, der über integrierte LabVIEW-Funktionsbausteine ​​programmierbar ist. Es verfügt außerdem über mehr als 30 analoge und digitale I/O-Module mit integrierter Signalaufbereitung (Anti-Aliasing, Isolation, ADC, DAC usw.), hoher Taktfrequenz (analoge I/O-Geschwindigkeiten bis zu 800 kHz, digitale I/O-Geschwindigkeiten bis zu 30 MHz) und hoher Auflösung (24-Bit-ADC) und ermöglicht so den Anschluss beliebiger industrieller Sensoren oder Trigger. [align=center] Abbildung 1: CompactRI/O-Architektur[/align] I2S nutzt die analogen Eingangsmodule von CompactRIO zum Anschluss von Gamma-Dickensensoren und bietet so die für präzise Messungen erforderliche hohe Taktfrequenz und Auflösung. Da jedes I/O-Modul direkt mit dem FPGA verbunden ist, können Entwickler die analoge I/O-Rate von CompactRIO mithilfe von LabVIEW FPGA einfach anpassen. Schritt 4: Hinzufügen erweiterter Verarbeitung Nach der Erfassung der analogen Daten vom Gamma-Sensor verwendet CompactRIO die integrierten Echtzeit-Gleitkomma-Funktionsblöcke von NI LabVIEW, um die Daten im Echtzeitprozessor zu verarbeiten und in präzise Dickenmessungen umzuwandeln. Die Echtzeit-Funktionsblöcke von LabVIEW führen eine deterministische, erweiterte logarithmische Verarbeitung der Daten durch (siehe Gleichungen 1 und 2 unten), um die Dickenmessungen zu berechnen. Da LabVIEW Real-Time über integrierte Berechnungs- und Analysefunktionen verfügt, kann der PAC diese Operation problemlos durchführen. Gleichung 1: log I = (log I0)y/μ = (y/μ) log I0 Gleichung 2: y/μ = log I0/log I = log (I0-I) Das CompactRIO-System führt die gesamte E/A- und Signalverarbeitung im FPGA und Echtzeitprozessor durch und überträgt hochpräzise Dickenmessungen an die angeschlossene SPS, ohne die Geschwindigkeit des bestehenden SPS-Steuerungssystems zu beeinträchtigen. Durch die Nutzung der Leistungsfähigkeit von CompactRIO können I2S-Ingenieure diese benutzerdefinierte Mess- und Analysefunktion zu Gamma-Pegel-Sensoren hinzufügen, ohne die Steuerungsgeschwindigkeit des Walzwerks zu beeinträchtigen. Schritt 5: PAC-Integration Jedes Walzwerk verfügt über drei vernetzte CompactRIO-Systeme. Diese drei Systeme sind intelligente Knoten, die über die Industriestandards Modbus/TCP, TCP/IP oder UDP kommunizieren können. Zwei dieser Systeme sind mit den Gamma-Pegel-Sensoren verbunden und führen analoge Eingangsmessungen sowie eine erweiterte Datenverarbeitung durch, um präzise Dickenmessungen zu berechnen. [align=center]Abbildung 2: Typische Systemtopologie[/align] Das dritte CompactRIO-System erfasst die Dickenwerte der beiden anderen Systeme und wandelt sie in analoge Ausgangsmesswerte um, die dann an die SPS der Walzwerkssteuerung übermittelt werden. Alle drei Systeme sind über Ethernet miteinander verbunden und verwenden ein UDP-Ethernet-Nachrichtenprotokoll zur Übertragung der Dickenberechnungen. Es gibt drei grundlegende Methoden, um einen PAC in eine bestehende SPS-Architektur zu integrieren: 1. Grundlegende analoge und digitale Ein-/Ausgabe. Analoge/digitale Signale können vom PAC an die SPS ausgegeben werden. Dies ist eine der grundlegendsten Methoden zur Integration eines PAC in eine SPS. I²S verwendet diese Methode, um verarbeitete Daten vom CompactRIO PAC an die SPS des Walzwerkssteuerungssystems zu übertragen. 2. Industrielle Netzwerke. Die meisten PAC-Produkte unterstützen Industrieprotokolle wie DeviceNet, Profibus, CANopen und Ethernet-basierte Protokolle wie TCP/IP, UDP und Modbus TCP/IP. Dies bietet Ingenieuren vielfältige Netzwerkoptionen für die Verbindung des PAC mit der SPS. I2S nutzt Ethernet zur Datenübertragung zwischen CompactRIO PACs und verbindet PAC und SPS mit dem vernetzten HMI. 3. OPC-Konnektivität: Der PAC kann auch als OPC-Client oder -Server fungieren und Netzwerkdaten über OPC-Tags an die SPS oder andere PACs senden und empfangen. Der OPC-Standard bietet ein standardisiertes Verfahren für die einfache Vernetzung von Automatisierungssystemen verschiedener Hersteller. Verarbeitete Daten werden zwischen über Ethernet verbundenen CompactRIO-Systemen in weniger als 20 Millisekunden übertragen. Die Erfassungs-, Verarbeitungs- und Übertragungsgeschwindigkeiten von CompactRIO-Messungen sind sehr hoch; daher beeinträchtigt die Eingabe präziser Dickenmessungen in die SPS-Steuerung die Gesamtgeschwindigkeit des Systems nicht. I2S verbindet das System problemlos über ein LAN-basiertes CompactRIO-System und eine 10/100-Mbit/s-Ethernet-Schnittstelle mit einer vernetzten Allen-Bradley-SPS und über ein Standard-TCP/IP-Protokoll mit einem Mensch-Maschine-Interface (HMI). Alle Instrumente im Walzwerk sind per Ethernet verbunden, wodurch die analoge Signalübertragung über große Entfernungen in störungsanfälliger Umgebung entfällt. Zusammenfassend lässt sich sagen , dass SPSen in der Automatisierung auch in den nächsten Jahren weiterhin eingesetzt werden. Angesichts der Maschinenverbesserungen und des Bedarfs an höherer Automatisierungseffizienz sind SPSen jedoch kein Allheilmittel mehr. Die PAC-Technologie bietet eine wertvolle Ergänzung zu SPSen und erweitert diese um leistungsstarke E/A- und Verarbeitungsfunktionen, die in herkömmlichen SPSen nicht verfügbar sind. PACs lassen sich auf vielfältige Weise in bestehende SPS-Architekturen integrieren, sodass Ingenieure ihre SPS-basierten Automatisierungssysteme problemlos optimieren können.