Die Milchverarbeitung ist ein regions- und prozessübergreifender, koordinierter Steuerungsprozess. Da das Endprodukt eng mit der menschlichen Gesundheit verknüpft ist, werden hohe Anforderungen an die Genauigkeit, Zuverlässigkeit und Echtzeitfähigkeit des Steuerungssystems gestellt. Dieser Artikel beschreibt die erfolgreiche Anwendung eines AB-Netzwerks aus Geräte-, Steuerungs- und Informationsschicht in einem Molkereiunternehmen zur Automatisierung der gesamten Produktionslinie während einer Produktionslinienmodernisierung, die großflächige Implementierung der Feldbustechnologie und die damit verbundenen erheblichen wirtschaftlichen Vorteile. Im Jahr 2002 wurde eine Molkerei in Nordostchina einer Produktionslinienerweiterung und -modernisierung unterzogen. Die Fabrik nutzte zuvor zahlreiche Produkte der Serien PLC-5 und SLC500, die über DH+ verbunden waren. Die Modernisierung sollte die Produktionskapazität der Fabrik um mehr als die Hälfte erhöhen und erforderte die Aufrüstung, den Austausch und die Demontage des bestehenden Steuerungssystems. Da Frischmilch verderblich ist, bestand die größte Herausforderung des gesamten Projekts darin, die Steuerung der ursprünglichen Funktionen und Feld-I/O-Geräte nahtlos und ohne Produktionsunterbrechung auf das neue System umzustellen. Zweitens war es entscheidend, eine vernünftigere, fortschrittlichere und zuverlässigere Lösung zu wählen, um den umfangreichen Einsatz von Frequenzumrichtern, intelligenten Messgeräten und anderen Geräten im Projekt zu ermöglichen. Daher fiel die Wahl auf das ControlLogix-System, das dank seiner leistungsstarken Netzwerkfunktionen wie EtherNet, ControlNet und DH+ ein unterbrechungsfreies Umschalten und Erweitern ermöglicht. Nach der Fertigstellung nutzt die Informationsschicht des Systems Fast Ethernet als Verbindung für die Veröffentlichung und den Austausch von industriellen Steuerungsinformationen. Die Steuerungsschicht verwendet ControlNet als Backbone, kompatibel mit DH+, wodurch die Systemlast effektiv geplant und das Netzwerk schneller und sicherer wird. Die Geräteschicht nutzt RIO und DeviceNet, was nicht nur die Investitionskosten und den Arbeitsaufwand vor Ort erheblich reduziert, sondern auch umfassendere Informationen bereitstellt und eine flexiblere und intelligentere Steuerung ermöglicht. AB Fieldbus-Technologie im Überblick: Die Milchverarbeitung ist ein komplexes, mehrstufiges, koordiniertes Steuerungssystem, das Produktherstellungssysteme umfasst: Milchgewinnung, Milchreinigung, Rezeptur, Konzentration, Trocknung, Trockenmischung und Verpackung; Servicesysteme wie Dampf, Heißluft, Kühlung und Reinigung; sowie Systeme zur Wasseraufbereitung und Abwasserbehandlung. Da das Endprodukt eng mit der menschlichen Gesundheit verknüpft ist, werden hohe Anforderungen an die Genauigkeit, Zuverlässigkeit und Echtzeitfähigkeit des Steuerungssystems gestellt. Im Vergleich zu anderen Anbietern von Automatisierungsprodukten bietet AB mit seinen leistungsstarken Netzwerkkommunikationsfunktionen einen entscheidenden Vorteil. Die offene Netzwerkarchitektur NetLinx besteht aus drei Schichten: Informationsschicht, Steuerungsschicht und Geräteschicht. Sie integriert Netzwerkdienste, CIP (Control and Information Protocol) und offene Softwareschnittstellen. Je nach Anwendungsanforderungen können Anwender eine, zwei oder alle drei Schichten kombinieren und Daten nahtlos zwischen Netzwerken übertragen. Innerhalb dieser Netzwerkarchitektur bietet die Logix-Plattform von Rockwell Automation Kompatibilität für die Steuerung über verschiedene Formate hinweg. Die Ethernet-Technologie hat sich im letzten Jahrzehnt rasant entwickelt. Dank ihrer breiten Anwendung und fortschrittlichen Technologie dominiert sie nicht nur die Kommunikationsbereiche von kommerziellen Computern und die übergeordnete Informationsverwaltung und -kommunikation in der Prozesssteuerung, sondern findet auch in großem Umfang Anwendung in der industriellen Steuerung und ist der Zukunftstrend für industrielle Feldnetzwerke. Das EtherNet Industrial Protocol (EtherNet/IP) ist ein offener industrieller Netzwerkstandard, der auf dem IEEE 802.3-Standard für physikalische Medien und Datenverbindungen basiert und Echtzeit-I/O-Messaging sowie Peer-to-Peer-Kommunikation ermöglicht. Typischerweise verwenden EtherNet/IP-Netzwerke eine aktive Sterntopologie, bei der Gerätegruppen Punkt-zu-Punkt mit Switches verbunden sind. Switches stellen virtuelle Verbindungen bereit und tragen so zur Vermeidung von Netzwerkkollisionen und zur Reduzierung von Netzwerküberlastungen bei. Produkte von Rockwell Automation, darunter die PLC-5 E-Serie, die SLC5/05-Serie und ControlLogix-Produkte, verfügen alle über Ethernet-Schnittstellen. DH+ (Data Highway Plus) ist ein frühes industrielles LAN zur Datenübertragung zwischen SPSen, Computern und HMI-Produkten. Alle erweiterten PLC-5- und SLC5/04-Modelle besitzen integrierte DH+-Kommunikationsports. Dank der Verwendung kostengünstiger Netzwerkmedien und Übertragungsdistanzen von bis zu 3000 Metern hat sich DH+ in verschiedenen Branchen weit verbreitet. Da DH+-Netzwerke jedoch ein Token-Passing-Protokoll verwenden, kann die Echtzeitleistung bei einer zu großen Anzahl von Knoten (mehr als 20) sinken. Dies macht sie ungeeignet für Steuerungsanwendungen mit hohen Anforderungen an Sicherheit und Echtzeit-Verriegelungssteuerung. ControlNet ist ein Automatisierungs- und Steuerungsnetzwerk, das seit den 1990er-Jahren entwickelt und eingesetzt wird. Es vereint die Vorteile verschiedener Netzwerke und bietet E/A, SPS-Verriegelung, Informationsübertragung und Programmierfunktionen in einem einzigen Netzwerk. Es handelt sich um ein deterministisches Hochgeschwindigkeitsnetzwerk für die Informationsübertragung mit strengen Zeitanforderungen. Es ermöglicht auch die Übertragung zeitunkritischer Nachrichtendaten, ohne die Übertragung zeitkritischer Daten zu beeinträchtigen. ControlNet verwendet ein Produzenten-Konsumenten-Modell, das es allen Knoten im Netzwerk ermöglicht, gleichzeitig auf dieselben Daten von einer einzigen Datenquelle zuzugreifen. Seine Hauptmerkmale sind: erweiterte Systemfunktionalität, höhere Effizienz, da die Datenübertragung unabhängig von der Anzahl der Clients ist, und präzise Synchronisierung, da die Daten gleichzeitig an jedem Knoten eintreffen. DeviceNet ist ein offenes Netzwerk, das die direkte Anbindung von Endgeräten wie Endschaltern, Lichtschranken, Frequenzumrichtern, Leistungsüberwachungsmodulen und Touchscreens an Werkstattsteuerungen ermöglicht, ohne dass feste Verbindungen zu E/A-Modulen erforderlich sind. Diese Verbindung verbessert die Kommunikation zwischen den Geräten erheblich und bietet Diagnose- und Vorhersagefunktionen. Im vorliegenden Projekt bildete ein PLC-5/80-Prozessor das Herzstück des alten Systems. Dessen RIO-Schnittstelle war mit mehr als zehn Flex-E/A-Knoten verbunden. Die Umstellung erfolgte in drei Schritten. Im ersten Schritt wurde ein 1756-DHRIO-Modul in einem ControlLogix-Rack installiert. Kanal 1 wurde als DH+ konfiguriert und mit dem PLC-5/80 verbunden; Kanal 2 wurde als RIO konfiguriert und entsprechend der Summe der alten und neuen Knoten eingerichtet. Der Prozessor in diesem Rack wird als „IOProcessor“ bezeichnet. Im zweiten Schritt wurden die bestehenden Knoten während der Reinigungsintervalle der Produktionslinie in das neue Netzwerk migriert. Das Programm wurde wie folgt angepasst: Kommunikationsfehleralarme im PLC-5/80-Programm wurden deaktiviert; Die Gerätesteuerungsdatei wird über das DH+-Netzwerk an den IO-Prozessor zur Ausgabe übertragen, und die Geräterückmeldung wird anschließend an die PLC-5/80 zurückgesendet. Dieser Schritt wird wiederholt, bis alle Flex-I/O-Knoten an das vom IO-Prozessor gesteuerte Netzwerk angeschlossen sind. Ab diesem Zeitpunkt sind Logik- und I/O-Steuerung getrennt, und die manuelle Steuerung aller Geräte ist über das neue HMI möglich. Im dritten Schritt erfolgt ein Funktionstest des ControlLogix-Prozessors „Logic“. Während der Debugging-Phase führen der alte und der neue Prozessor dieselben Bedienerbefehle aus, und der neue Prozessor vergleicht und korrigiert die Simulationsergebnisse mit denen des alten Prozessors. Nach erfolgreichem Debugging wurden die Funktionen des alten Prozessors und seine Kommunikation mit dem IO-Prozessor deaktiviert, und die Ausgabebefehle von Logic wurden über die Backplane an den IO-Prozessor übertragen. Gleichzeitig wurde neuer Code entsprechend den Änderungen im Produktionsprozess hinzugefügt. So wurde das System-Upgrade erfolgreich abgeschlossen, während die laufende Produktion aufrechterhalten wurde. In den neu installierten Verdampfer- und Trockenturmsystemen wurde Flex I/O mit einem DeviceNet-Adapter eingesetzt, um Parameter wie Endschalter und Prozessvariablen zu erfassen und Ventile, Motoren und Frequenzumrichter zu steuern. Der Netzwerkscanner 1756-DNB kann bis zu 63 Knoten mit jeweils 124 Ein- und Ausgabekapazitäten verwalten. In der Netzwerkkonfiguration belegt jedes 1794-ADN ein Eingangswort; die digitalen Eingangsmodule (1794-IB16 und 1794-OB16) belegen jeweils ein Eingangs- oder Ausgabewort; die analogen Eingangsmodule (1794-IE8 und 1794-OE4) belegen jeweils ein Eingangs- oder Ausgabewort; der Frequenzumrichter wird per Code oder Software mit drei Eingangs- und Ausgabewörtern konfiguriert. Dadurch kann der Prozessor bis zu fünf Parameter, einschließlich der Frequenz, vom Frequenzumrichter erfassen, wobei vier dieser Kanäle auswählbar, umschaltbar und über eine Mensch-Maschine-Schnittstelle angezeigt werden können. Panelview ersetzt zahlreiche Bedienelemente und Feldinstrumente und macht das gesamte System dadurch extrem einfach und effizient. Basierend auf einjährigen Datenanalysen des Leistungsüberwachungsmoduls liegt der Stromverbrauch des neuen Systems dank des umfassenden Einsatzes von Frequenzumrichtern und anderer Komponenten über 30 % niedriger als beim ursprünglichen System vergleichbarer Größe. Nach der Inbetriebnahme wurden gemäß Standardvorgaben mehrere leere Knoten als Backup konfiguriert. In den zwei Monate später gestarteten neuen Projekten zur Vitamin- und Maisölproduktion wurden Produktion und Erweiterung parallel durchgeführt, wodurch die Anwender maximale Zeitersparnis erzielten und wirtschaftliche Vorteile sichergestellt wurden. Dies demonstriert eindrucksvoll die hohe Flexibilität von DeviceNet. Die Neugestaltung des Kommunikationsnetzwerks ist ein zentrales Merkmal dieses Projekts. Die ursprünglichen Steuerungssysteme der Anlage nutzten ausschließlich Produkte der PLC-5- oder SLC500-Serie, die über DH+-Netzwerke verbunden waren, was zu einer hohen Netzwerklast und geringen Übertragungsgeschwindigkeiten führte. Mit ControlNet als Backbone wurde das ursprüngliche Netzwerk basierend auf physischer Verteilung und logischen Beziehungen in drei DH+-Netzwerke aufgeteilt. Die Datenübertragung zwischen den verschiedenen DH+-Netzwerken erfolgt über ControlLogix-Nachrichtenbefehle oder LinkID. Die Informationsschicht nutzt 100-Mbit/s-Ethernet und verbindet die alten und neuen Anlagenbereiche sowie die Netzwerkmanagementzentrale über Twisted-Pair-Kabel und Glasfaser. Die Hauptfunktionen sind dreifach: 1) Kommunikation mit der Mensch-Maschine-Schnittstelle (HMI), z. B. Datenerfassung und Echtzeitüberwachung. Die Vielseitigkeit von Ethernet ermöglicht eine einfache HMI-Erweiterung und macht teure, dedizierte Plugins überflüssig. Gleichzeitig kann die Software verschiedene Computer- und Netzwerktechnologien umfassend nutzen und dem System so nahezu unbegrenzte Skalierbarkeit verleihen. 2) Vernetzung mit der Netzwerkmanagementzentrale. Die Systemsoftware basiert auf Windows 2000 Server und einer ausgereiften relationalen Datenbankmanagement-Software. Mithilfe der MSSQL-Datenbankstruktur transformiert die Software die Echtzeitdatenbank des Steuerungssystems in eine MSSQL-Datenbank. Dadurch werden Statistiken zu wichtigen Anlagenparametern, Energie- und Materialverbrauch sowie weiteren Informationen für die gesamte Anlage erstellt. Dies bildet die Grundlage für eine effiziente Produktion, eine rationelle Planung sowie die Instandhaltung und den Austausch von Anlagen. Die IIS-Funktion (Internet Information Service) von Windows 2000 Server ermöglicht es den relevanten Abteilungen im gesamten Werk, Datenbankinformationen einzusehen und Daten über einen Webbrowser abzurufen. 3) Ethernet kann zudem als Backup-Route für die Steuerungsnetze der beiden Werksbereiche dienen. Anwendungsergebnisse: Die Ergebnisse nach über einem Jahr Systembetrieb zeigen, dass der Einsatz von AB-Feldbusprodukten wesentlich zu einer sicheren Produktion und Energieeinsparung beigetragen hat. Anlagen und Netzwerke zeichnen sich durch eine beispiellose Wartungsfreundlichkeit und Skalierbarkeit aus, und sowohl Produktionsleistung als auch Qualität haben sich stetig verbessert, während kontinuierlich neue Produkte entwickelt werden. Darüber hinaus hat die Integration von industriellen Steuerungssystemen und Informationstechnologie eine standardisierte Verwaltung des Lagerbestands und des Vertriebs des Unternehmens ermöglicht und damit erhebliche wirtschaftliche und soziale Vorteile gebracht.