Wie Sie Daten und Prozessparameter aus Maschinensteuerungen auslesen können

Im Zuge des aktuellen Trends in Richtung Industrie 4.0 ist das Vorhandensein möglichst vieler Prozessinformationen einer der ersten notwendigen Schritte.  Prozessinformationen, Stellgrößen und Sensorwerte sind in aller Regel in umfangreichem Maße vorhanden, jedoch ist das Zusammenführen von Daten aus unterschiedlichen Quellen oder eine übergeordnete Verwaltung dieser Daten oft nicht ohne weiteres möglich.

In Extrusionslinien (z.B. Rohr, Profi, Vollstab, Platte) oder Extrusionsanlagen (Blasfolie, Blasformen) existieren in den meisten Fällen neben der eigentlichen Hauptanlagensteuerung weitere Systeme und Sensoren die über eigene Steuerungen verfügen. Dies kann bereits eine einfache Regelung eines Temperiergerätes sein oder eines Abzuges/Wicklers, aber auch die Steuerung einer Millimeterwellensensorik oder einer Gravimetrie. In manchen Fällen verfügen diese dezentralen Steuerungen bereits über Schnittstellen so dass eine Kommunikation mit der Haupt-Anlagensteuerung möglich ist. In anderen Fällen arbeiten derartige Systeme völlig autark, ohne dass die Haupt-Anlgensteuerung Informationen aus diesem Subsystem bereitgestellt bekommt.

Industrie 4.0 Szenarien basieren auf übergreifenden Daten

Sofern der Einstieg in das Industrie 4.0 Zeitalter geplant ist, gilt es als einer der ersten Schritte zunächst einmal die Situation herzustellen, dass sämtliche vorhandenen Daten (+ weitere notwendige Daten) in einem übergeordneten System zusammenfließen. Oben gezeigte Abbildung zeigt die unterschiedlichen Informationsflüsse auf, die in Extrusionsanlagen und -linien auftreten können. Bei einem bidirektionalen Informationsfluss bekommt die Hauptsteuerung Informationen von einem Subsystem zur Verfügung gestellt und kann durch Regler oder andere Algorithmen aktiv auf dieses Subsystem zugreifen (z.B. durch Weitergabe neuer Sollwerte). Bei einer monodirektionalen Kommunikation werden die Informationen eines Subsystems zwar an die Hauptsteuerung kommuniziert, so dass diese in der Lage ist die Informationen z.B. zu visualisieren es findet aber kein Rückfluss an Informationen zu diesem Subsystem statt. Dieser Kommunikationsweg sollte nur dann gewählt werden, wenn es sich um eine reine Sensorik handelt, die ohnehin nicht über Aktionsmöglichkeiten verfügt. Der dritte Fall (rot markiert) stellt die Situation dar, wenn gar kein Informationsfluss stattfindet. So kennt die Hauptsteuerung beispielsweise nicht die Lufttemperatur der Kühlluft, den Volumenstrom von Gebläsen oder Pumpen, das Delta T in Kühlstreckensegmenten, etc.

Warum ist die Zusammenführung von Daten nützlich und wichtig

Das Zusammenführen von Daten in einem übergeordneten zentralen System bietet Vorteile, wie beispielsweise:

• Vermeidung von Laufwegen und Zeitverzug (z.B Ablesen von Werten auf Emporen oder am Ende der Linie)
• Visualisierung von Informationen die Hilfestellung bei der Parametrierung des Prozesses geben können
• Möglichkeit der Herstellung von übergreifenden Regelungen
• Unterstützung beim Troubleshooting, da Korrelationen und Wechselwirkungen leichter sichtbar werden
• Datenspeicherung, „Fingerabdruck“ der Prozessparameter, Rückverfolgbarkeit von Produktionsdaten
• Verwendung von Datenauswertesystemen die über die Fähigkeiten/Möglichkeiten der Maschinensteuerung hinausgehen
• Voraussetzung zur Umsetzung virtueller Assistenzsystem

Um Daten zusammenführen zu können, sind folgende Fragen meist vorher zu klären:

• Woher stammen die Daten?
• Wie liegen die Daten vor? Sind es analoge Werte (z.B. 0-10V, 4-20mA Signale) oder sind es digitale Werte?
• Welches Protokoll wird bei der Datenkommunikation verwendet? Ein Protokoll ist sozusagen die „Sprache“ die zwei Systeme sprechen. Beide Systeme müssen die gleiche Sprache beherrschen, damit eine Kommunikation möglich wird (ModBUS, CAN, EtherCAT, Profibus, etc.)
• Welche Hardware-Schnittstellen verwenden die zu verbindenden Systeme? (Hardware Schnittstellen sind heutzutage meist Ethernet (LAN) Schnittstellen, in einigen Fällen aber auch serielle Schnittstellen oder andere Systeme. Über eine Ethernet Schnittstelle können aber viele unterschiedliche „Protokolle = Sprachen“ kommuniziert werden.)
• Verwenden die verbauten Sensoren, Aktoren oder die Steuerung proprietäre Protokolle oder Schnittstellen? (Proprietäre Schnittstellen sind vom Eigentümer so codiert, dass eine Verwendung der Schnittstelle oft nur durch den Hersteller realisiert werden kann. Teilweise wird dies als Mittel zur Kundenbindung genutzt, da für Systemerweiterungen in solchen Fällen nur gleiche Hardware nachgekauft werden kann.)
• Wie viele verschiedene Signale sollen ausgelesen werden?
• Wie ist die Abtastfrequenz der einzelnen Signale?

Systembeschreibung anhand eines praktischen und alltäglichen Beispiels:

Ausgangssituation:

An einer Extrusionsanlage existiert eine Maschinensteuerung die etwa 8 Jahre alt ist. In der Steuerung laufen bereits viele Informationen auf und können dort visualisiert werden. Auch die Ansteuerung peripherer Systeme wie beispielsweise von Temperiergeräten oder Wicklern ist möglich. Allerdings werden die Daten in der Steuerung lediglich angezeigt und für interne Regelkreise genutzt. Ein Zugriff auf das „Programm“ der Maschinensteuerung gewährt der Maschinenbauer nicht, somit sind Änderungen und Erweiterungen an diesem System nur durch den Maschinenbediener möglich. Der Maschinenbediener wurde bereits angefragt, verweist aber auf den Kauf einer neuen und modernen Maschinensteuerung, die über bessere Kommunikationsmöglichkeiten verfügt.

Ziel:

Die in der Extrudersteuerung auflaufenden Informationen sollen um weitere Daten ergänzt werden, die bis zum heutigen Zeitpunkt nicht messtechnisch erfasst werden (Umgebungsdaten wie Hallentemperatur, thermische Beeinflussung der Extrusionsumgebung, Kühlungsparameter) und es sollen übergeordnete Auswertealgorithmen die Daten live auswerten. So soll aus den aktuellen Prozessparametern der Anlage und weiteren Informationen die aus dem ERP-System stammen (Personaleinsatz an der Linie, Verkaufspreise) eine Berechnung der Herstellkosten in € pro Meter extrudiertes Produkt erfolgen. Zusätzlich sollen weitere Subsysteme, die über eigene Steuerungen verfügen und nicht mit der Hauptanlagensteuerung kommunizieren ebenfalls durch ein übergeordnetes Systen ausgewertet werden.

Realisierungsweg:

Zunächst wird die Maschinensteuerung der Hauptanlagensteuerung betrachtet. Hier laufen bereits viele verschiedene analoge Signale auf und werden in dieser SPS in digitale Signale umgewandelt. Die Maschinensteuerung (in diesem Fall vom Hersteller Siemens) bietet die Möglichkeit der Kommunikation über das ProfiNET Protokoll via Ethernet Schnittstelle. Damit die in der Maschinensteuerung zur Verfügung stehenden Informationen ausgelesen werden können, wird ein Dolmetscher eingesetzt (in diesem Fall eine plusMETER Bridge) die im Netzwerk einerseits die Kommunikation zur Maschinensteuerung (in der Sprache ProfiNET) herstellt und gleichzeitig mit anderen Systemen in der Sprache (OPC UA) kommuniziert, sowie eine Datenbank im Standardformat MS SQL schreibt. Somit stehen nun sämtliche Informationen, die die Maschinensteuerung kennt sowohl über die Sprache OPC UA zur Verfügung, als auch als digital gespeicherte Information in einer SQL Datenbank vor.

Im zweiten Schritt sollen weitere Sensoren in das System einbezogen werden, die dazu nachträglich installiert werden. Um diese Sensoren direkt in die Hauptsteuerung der Maschine einzubinden wäre eine Umprogrammierung und Erweiterung der Maschinensteuerung durch den Hersteller notwendig. Daher wird ein alternativer Weg gewählt und sämtliche zusätzlich erfassten Sensoren werden von einer zweiten SPS (z.B. einem plusMETER oder einer alternativen Steuerung von B&R, Siemens, etc.) erfasst. Diese zweite Steuerung kommuniziert ebenfalls alle Informationen über die Ethernet Schnittstelle z.B. im TCP/IP oder direkt im OPC UA Format.

In einem dritten Schritt sollen aus einem Kaltlufterzeuger und drei weiteren peripheren Systemen, die jeweils über eine eigene kleine SPS (unterschiedlicher Hersteller) gesteuert werden ebenfalls Daten ausgelesen werden. Da die Kommunikation dabei zwar über unterschiedliche Protokolle (Ethercat, Modbus) erfolgt, die Hardware Schnittstelle aber erneut die Ethernet Schnittstelle ist, kann das Auslesen dieser vier SPS Systeme ebenfalls über den gleichen Dolmetscher (plusMETER Bridge) erfolgen, wie das Auslesen der Hauptmaschinensteuerung. Dazu ist lediglich die Freischaltung der Kommunikationsfeatures für die weiteren Protokolle (Ethercat und Modbus) notwendig.

Zur Konsolidierung sämtlicher Daten wird eine Softwaresystem eingesetzt, welches die gesammelten Daten nicht nur abspeichert und sortiert, sondern gleichzeitig auch deren Visualisierung oder Auswertung ermöglicht. Dazu existieren verschiedene Softwaresysteme am Markt und bieten unterschiedliche Vor- und Nachteile.

Da nun sämtliche Daten aus der Produktion (Shopfloor) in einer zentralen Datenbank (mit einem Standardformat) vorliegen, ist es der IT-Abteilung des Unternehmens über einfache Datenbankabfragen möglich, die Daten aus der Produktion mit den Daten aus dem ERP System zu verknüpfen. So lassen sich weitreichende Verknüpfungen abbilden, die sowohl im ERP selbst angezeigt werden, als auch Visualisierungssystemen in der Produktion über die aktuelle Produktivität und Herstellkosten live informieren können.

Das Schemadiagramm einer solchen Situation (umgesetzt mit Komponenten aus der SHS plusWARE(R) Familie) ist unten dargestellt. Selbstverständlich existieren aber auch andere hardwaretechnische Lösungsmöglichkeiten zu denen wir Ihnen im Falle von Fragen ebenfalls jederzeit gerne mit Rat und Tat zur Seite stehen.

Grundsätzliche Möglichkeiten Sensordaten aus der Produktion abzurufen

• Sofern die Sensoren mit einer Steuerung verbunden sind besteht die Möglichkeit über den oben genannten Weg mit einer Bridge die Informationen aus der Steuerung auszulesen. Dies empfiehlt sich besonders dann, wenn viele Sensordaten ausgelesen werden sollen.
• Sofern nur einzelne Werte ausgelesen werden müssen existiert oft die Möglichkeit, dass Sensorsignal auf dem Weg vom Sensor zur Steuerung „abzuhören“. Die Steuerung bemerkt dabei nicht, dass andere Systeme die gleichen Informationen erhalten und verrichtet weiter ihren Dienst. Solche Signalsplitter sind aber vergleichsweise teuer und eignen sich nicht für alle Signale.
• Zusätzliche Sensorik: teilweise kann es sinnvoll sein zusätzliche Sensorik zu installieren und über ein separates System auszuwerten.

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