Um gute Arbeit zu leisten, benötigt man zunächst die richtigen Werkzeuge. Um die Qualität und Effizienz der Stahlrohrproduktion zu verbessern, beschloss die Tianjin Steel Pipe Company, ihre WMBPS-Fertigungslinie (Weighting Measurement Banding Pinstamp Stencil) im Rohrverarbeitungswerk zu modernisieren. Das WMBPS-System ist eine Anlage zum Messen der Länge, Wiegen, Aufbringen von Farbringen, Markieren und Sprühen von Markierungen auf gewalzte Stahlrohre. Es handelt sich um eine Produktionslinie zur Endbearbeitung von Stahlrohren vor der Auslieferung. Diese Fertigungslinie nutzt Technologie aus den USA, die vor zehn Jahren entwickelt wurde. Die SPS-Steuerung verwendet ein zentrales I/O-Design, und Datenerfassung, -verarbeitung und andere Informationsverwaltung werden von einer großen Leiterplatte, ähnlich einem Computer-Motherboard, gesteuert. Das System ist veraltet; aufgrund zahlreicher und komplexer Kabel ist die Wartung schwierig; außerdem fehlt dem System eine Host-Computer-Überwachungsfunktion, was zu einer schlechten Visualisierung des Programmablaufs führt; es verwendet ein dediziertes Kommunikationsprotokoll, das die Kommunikation mit anderen Arbeitsstationen verhindert und die Skalierbarkeit des Systems einschränkt; es fehlen Datenbank- und Personalverwaltungsfunktionen, sodass die Unterstützung durch andere Arbeitsstationen oder manuelle Verwaltung erforderlich ist, was die Steuerungskomplexität erhöht. Diese Mängel zeigen, dass das ursprüngliche WMBPS-System den Anforderungen der automatisierten Stahlrohrproduktion nicht mehr genügt. Um den Modernisierungsgrad des Produktionsmanagements zu verbessern und sich an die Marktentwicklung anzupassen, beauftragt die Tianjin Steel Pipe Company uns mit der technischen Umgestaltung der WMBPS-Fertigstellungsanlage. Im ursprünglichen Design mussten die Kabel zwischen der Hauptleitwarte und den einzelnen Arbeitsstationen durch Gräben, Kabeltunnel usw. verlegt werden, wobei die Kabellängen mehrere hundert Meter betrugen. Aufgrund des hohen Signalvolumens und um die Installation und Wartung zu vereinfachen sowie die Stabilität und Zuverlässigkeit der Signalübertragung zu gewährleisten, entschieden wir uns für die Feldbussteuerung mit Siemens PROFIBUS. 1. Eigenschaften des Feldbus: Die Feldbustechnologie wandelt einzelne, verteilte Mess- und Steuergeräte in Netzwerkknoten um. Über den Feldbus werden diese zu einem Netzwerk- und Steuerungssystem verbunden, das miteinander kommunizieren und gemeinsam die automatische Steuerung ausführen kann. Die technischen Merkmale sind: (1) Offenes System: Das Kommunikationsprotokoll ist einheitlich und offen, sodass ein Informationsaustausch zwischen Geräten verschiedener Hersteller möglich ist. Weltweit bieten über 500 Hersteller eine breite Palette an Feldgeräten mit PROFIBUS-DP-Schnittstellen an. Anwender können Produkte verschiedener Anbieter zu Systemen beliebiger Größe kombinieren. (2) Interoperabilität und Kompatibilität: Interoperabilität bezeichnet die Informationsübertragung und Kommunikation zwischen vernetzten Geräten und Systemen; sie bedeutet, dass Geräte ähnlicher Leistung verschiedener Hersteller austauschbar sind. (3) Intelligente und funktionale Autonomie der Feldgeräte: Feldgeräte übernehmen Funktionen wie Sensorik und Messung, Kompensationsberechnung, Mengenverarbeitung und Steuerung und können so grundlegende Funktionen der automatischen Steuerung selbstständig ausführen und den Betriebszustand der Anlagen jederzeit diagnostizieren. (4) Hohe Systemstreuung: Feldbus hat eine neue Architektur für vollständig verteilte Steuerungssysteme geschaffen. Er verändert grundlegend das bestehende zentralisierte und verteilte Steuerungssystem von Prozessleitsystemen (DCS), vereinfacht die Systemstruktur und erhöht die Zuverlässigkeit. (5) Anpassungsfähigkeit an die Feldumgebung. Als unterste Schicht des Fabriknetzwerks unterstützt der Feldbus verdrillte Adernpaare, Glasfaser, Funkfrequenz, Infrarot, Stromleitungen usw. Er zeichnet sich durch hohe Störfestigkeit aus, ermöglicht die Stromversorgung und Kommunikation über ein Zweidrahtsystem und erfüllt die Anforderungen an explosionsgeschützte Eigensicherheit. 2. PROFIBUS-Busprotokoll: PROFIBUS (Process Field Bus) ist ein Feldbusstandard, der auf der deutschen Norm DIN 9245 und der europäischen Norm EN 50170 basiert. PROFIBUS ist in drei kompatiblen Versionen verfügbar, die sich nach den jeweiligen Anwendungsanforderungen richten: PROFIBUS-DP, PROFIBUS-FMS und PROFIBUS-PA. Der DP-Typ dient der Hochgeschwindigkeits-Datenübertragung zwischen verteilten Peripheriegeräten und eignet sich für die Kommunikation zwischen Prozessautomatisierungssystemen, verteilten E/A-Stationen und Feldgeräten. FMS (Field Message Specification) wird für die Kommunikation zwischen Feld- und Anlagenebene in industriellen Kommunikationsschichten eingesetzt und eignet sich für Anwendungen in der Textilindustrie, der Gebäudeautomation, speicherprogrammierbaren Steuerungen (SPS) usw. Der PA-Typ ist ein Bus für die Prozessautomatisierung. PROFIBUS-DP zeichnet sich durch minimale Reaktionszeiten und hohe Störfestigkeit aus. Dieses Protokoll nutzt lediglich die erste und zweite Schicht (Bitübertragungsschicht und Sicherungsschicht) des OSI-Modells; die Schichten drei bis sieben werden nicht beschrieben. Diese Struktur gewährleistet eine schnelle und effiziente Datenübertragung. Sie kann teure 24-V-Parallelübertragungssignale mit 4 bis 20 mA für die Messwertumrechnung ersetzen. Da diese Produktionslinie zur Steuerung von Feldgeräten aus dem zentralen Kontrollraum dient und das Werk eine hohe Genauigkeit bei der Messung von Länge und Gewicht der Stahlrohre benötigt, sind sehr hohe Datenübertragungs- und Verarbeitungsgeschwindigkeiten erforderlich. Daher haben wir uns für die PROFIBUS-DP-Busspezifikation entschieden. 3. Anwendung von PROFIBUS bei der WMBPS-Nachrüstung: Der übergeordnete Siemens-Überwachungs-PC fungiert als Masterstation im PROFIBUS-Bus und tauscht Daten mit der CPU (CPU315-2DP) einer anderen Masterstation, der Siemens-SPS, aus. Er liest die Betriebsinformationen der Feldgeräte und führt eine detaillierte Verwaltung des Produktionsstatus durch, z. B. Statistiken, Abfragen und Beurteilungen. Das System erfasst dynamisch und in Echtzeit Modell, Spezifikationen und Parameter der entsprechenden Stahlrohre für die Markierung und Besprühung und stellt diese Informationen in Balken- und Liniendiagrammen dar. Es bietet Echtzeit-Arbeitsplatzanzeige, Personalmanagement und Vertraulichkeitsverwaltung. Die Masterstation CPU315-2DP ist das Steuerzentrum des gesamten Busses und für die Kommunikation mit anderen Master- und Slave-Stationen zuständig. Sie steuert die Anlagen entlang der Linie gemäß den vom Benutzerprogramm festgelegten Zeitvorgaben. Jeder der Markierungsschränke für die Baustelle und der Tintenstrahlmarkierungsschrank enthält ein ET200M mit einer bestimmten Anzahl von Ein-/Ausgabemodulen und bildet so zwei Slave-Stationen im Bus. Das ET200M verfügt über keine Steuerfunktionen; es dient der Kommunikation mit der Masterstation CPU315-2DP und der Moduldiagnose. Die angeschlossenen Geräte werden von der Masterstation CPU315-2DP über den Bus gesteuert. Um die Online-Überwachung und -Änderung des SPS-Programms durch das Wartungspersonal zu erleichtern, kommuniziert ein Wartungs-PC über das MPI-Netzwerk mit der CPU315-2DP und ermöglicht so die Online-Überwachung, Diagnose und Änderung der SPS. Das MPI-Netzwerk ist ein Mehrpunkt-Kommunikationsschnittstellennetzwerk und die Standard-Netzwerkschnittstelle für Siemens-SPSen zum Herunterladen und Überwachen von Programmen mit dem Host-Rechner. Die Adressen der einzelnen Stationen auf den jeweiligen Leitungen dürfen nicht doppelt belegt sein. Die CPU315-2DP fungiert sowohl als Master-Station im PROFIBUS-Bus als auch als Station im MPI-Netzwerk. Die Netzwerktopologie ist in Abbildung 1 dargestellt: Abbildung 1: Netzwerktopologie. Master-Stationen im PROFIBUS-Bus verwenden Token Passing, die Übertragung zwischen Master- und Slave-Stationen erfolgt im Master-Slave-Verfahren. Der Host-Überwachungs-PC ist mit einer CP5611-Karte und einem ET200M mit DP-Bus-Schnittstelle ausgestattet, wodurch die Kommunikation über das PROFIBUS-Busprotokoll ermöglicht wird. Die Kommunikation zwischen den Stationen erfordert lediglich ein einziges RS-485-Twisted-Pair-Kabel mit einer Übertragungsrate von 1,5 bis 12 Mbit/s, was die Signalübertragungsgeschwindigkeit und Systemstabilität deutlich verbessert. Im Systemdesign ermöglicht der Host-Monitoring-PC, ein Siemens-Industrie-PC, die Echtzeitüberwachung der Produktionslinie, die Datenbankverwaltung, die Parametereinstellungen der Stahlrohre und das Personalmanagement. Ein Master-Slave-System aus Siemens S7-300-SPSen steuert die gesamte Produktionslinie und stellt sicher, dass die Feldgeräte gemäß einer festgelegten Sequenz und Logik die Stahlrohre der oberen Station vor der Weiterleitung zur unteren Station längenmessen, wiegen, markieren und besprühen, wobei die Rohre in einwandfreiem Zustand aussortiert werden. Der Längenmesszylinder, der Wägesensor, die TELESIS-Markierungsmaschine und die MARKTEC-Sprühdüse sind die Ausführungskomponenten für jeden Prozess. Der Host-PC kommuniziert über die serielle Schnittstelle mit jeder Komponente. Er berechnet die Länge des Stahlrohrs anhand des Status der Messlichtschranke und des von der SPS übermittelten Encoderwerts. Das Wiegeinstrument überträgt das vom Wiegesensor gemessene Gewicht des Stahlrohrs über die serielle Schnittstelle an den Host-Computer. Dieser verarbeitet die zuvor gemessene Länge, das gewogene Gewicht und zugehörige Informationen wie Stahlrohrnorm, Herstellerkennzeichnung, Stahlsorte, Ofennummer und Chargennummer gemäß internationaler Stahlrohrnormen und sendet diese an die TELESIS-Markiermaschine und den MARKTEC-Tintenstrahldrucker zum Drucken und Aufsprühen der entsprechenden Zeichen und Symbole. Nach jedem Stahlrohr, das die Längenmessung, das Wiegen, die Markierung und den Tintenstrahldruck durchlaufen hat, druckt der Drucker die Informationen des Stahlrohrs aus und speichert sie zur Datenverwaltung und zum Datenabruf in der Datenbank. Das Anschlussdiagramm der gesamten Produktionslinie ist in Abbildung 2 dargestellt. Wie in der Abbildung zu sehen ist, sind die Markiermaschine, der Tintenstrahldrucker, der Hubbalken, die Hydraulikstation sowie weitere Sensoren und Relais jeweils an ihre Slave-Stationen angeschlossen, ohne direkte I/O-Signalverbindung zur SPS-Masterstation. Für die Verbindung der Master- und Slave-Stationen wird lediglich ein RS485-Twisted-Pair-Kabel benötigt. Während der Steuerung werden jedoch alle E/A-Punkte so angesteuert, als wären sie direkt mit der Masterstation verbunden, ohne dass eine spezielle Programmierung für die Kommunikation erforderlich ist. 4. Fazit und Ausblick: Der Einsatz des PROFIBUS-Feldbusses in der Fertigungslinie von Tianjin WMPBS reduzierte den Aufwand für die Nachrüstung erheblich und verkürzte die Bauzeit. Vom Ausbau der alten Anlagen bis zur Installation und dem Anschluss der neuen Anlagen wurden nur vier Tage benötigt, fast die Hälfte der ursprünglich geplanten sieben Tage. Durch die Verwendung eines Busverbindungsverfahrens wird die Systemstruktur vereinfacht und die Anzahl der Verbindungen zwischen den Geräten reduziert. Jede Master- und Slavestation benötigt nur eine Stromleitung und eine Bus-Übertragungsleitung, wodurch Signalumläufe reduziert und die Genauigkeit und Zuverlässigkeit des Systems verbessert werden. Darüber hinaus verfügt der Bus über Netzwerkdiagnosefunktionen, die die Fehlersuche und Wartung durch das Wartungspersonal erleichtern. Mit der zunehmenden Digitalisierung und Automatisierung von Unternehmen steigt der Bedarf an zentralisierter Steuerung von Fabriken und Werkstätten. Als offenes, niedrigschwelliges Steuerungsnetzwerk wird der Feldbus zwangsläufig eine breitere Anwendung finden. Zum einen verbindet er Feldgeräte; Andererseits übermittelt es Status und Informationen von Feldgeräten an die Leitwarte oder übergeordnete Steuerungsterminals und ermöglicht so den Informationsaustausch und die Ressourcenkoordination entlang der gesamten Produktionslinie und in der Werkstatt. Für ganze Werke oder Unternehmen lassen sich Feldbusse wie PROFIBUS über einen Kommunikationscontroller direkt mit einem industriellen Ethernet-Netzwerk verbinden und erfüllen damit die Netzwerkverbindungsanforderungen von ERP-, MRP- und SAP-Systemen. Feldbusse können heutzutage auch über Gateways und Bridges mit dem Internet verbunden werden, was Fernsteuerung und globale Ressourcennutzung ermöglicht. Referenzen : 1. *Fieldbus Technology and Its Applications*, herausgegeben von Yang Xianhui, Tsinghua University Press; 2. *SIEMENS Industrial Communication Network and Fieldbus Components Product Catalog*, 2002.2; 3. *SIMATIC STEP7 V5.1 Programming Manual*; 4. *ET200M Distributed I/O Device Manual*; 5. *SIMATIC S7-300 and M7-300 Programmable Controllers Module Specifications Reference Manual*