PAC-System bringt Unabhängigkeit

Um Qualität zu dokumentieren, werden Mess- und Prozesswerte in Datenbanken abgespeichert. Wo kurze Zykluszeiten und hohe Echtzeitfähigkeit gefragt sind, spielen Programmable Automation Controller (PAC) ihre Vorteile aus, was Addi-Data- Experte Dominik Reißner anhand der Automatisierung eines Stahlwerks beweist.

Dass eine Anlage möglichst effektiv arbeitet, ist im Sinne jedes Anlagenbetreibers. Oft reduziert nicht die Mechanik der Anlage den Produktionsdurchsatz, sondern die Leistungsfähigkeit der eingesetzten Mess- und Steuerungstechnik. Daten werden im Produktionsprozess erfasst, miteinander verrechnet und bei Bedarf an übergeordnete Steuerungen weitergegeben. Je schneller dies vonstatten geht, desto produktiver kann die Anlage arbeiten. Neben der Geschwindigkeit spielt auch die Echtzeit eine Rolle, denn nur so lässt sich bei den erfassten Werten und den einzelnen Produktionsschritten die (zeitliche) Konsistenz wahren.

Ein gutes Beispiel dafür ist die Herstellung von Stahlblechen. Dazu wird im Hochofen Eisenerz geschmolzen und im Stranggussverfahren zu Stahlblöcken − so genannten Brammen −gegossen. Diese Brammen werden in noch warmem Zustand in mehreren Walzschritten zu einem Blech ausgewalzt. Damit die fertigen Bleche überall gleich dick sind, muss während der Bearbeitung die Blechdicke permanent gemessen und der Pressdruck der Walzen sowie der Vorschub der Bleche entsprechend angepasst werden. Um einen hohen Durchsatz zu erreichen sind hier kurze Zykluszeiten gefordert, sowohl für die Erfassung als auch für die Verarbeitung der Messwerte, so dass Prozessstellgrößen möglichst schnell ermittelt werden können. Um die Qualität der hergestellten Bleche und die Produktion mit hohen Geschwindigkeiten zu gewährleisten, sind Messtechnikkomponenten mit Echtzeitfähigkeit gefragt. Echtzeit bedeutet in diesem Zusammenhang, dass die Dauer eines Vorgangs exakt vorhersehbar ist, denn nur so können verschiedene Prozesse synchron laufen. Je kleiner dabei der Echtzeitrahmen ist, um so höhere Prozessgeschwindigkeiten lassen sich erreichen.

Flexible Plattform für Mess- und Steuerungsanwendung

Wird z.B. die Dicke des Blechs zu einem bestimmten Zeitpunkt an einer Stelle gemessen und Druck sowie Drehgeschwindigkeit für die folgende Walze entsprechend dieser Messung geregelt, ist es wichtig, dass der Druck auch wirklich dann aufgebracht wird, wenn die gemessene Stelle die Walze passiert. Zeitverzögerungen können hier schlimmstenfalls dafür sorgen, dass der Druck an dünneren Stellen erhöht und an dickeren Stellen vermindert und somit das Blech uneben wird. Je schneller Daten erfasst, berechnet und übergeben werden, desto höher ist zudem der mögliche Durchsatz.

Die beschriebene Anwendung zur Stahlblecherzeugung ist einer der klassischen Einsatzbereiche des PAC-Systems MSX-Box-CPCI der Messtechnikspezialisten von Addi-Data. Das PAC-System ist weniger Produkt als vielmehr eine Plattform, die sich flexibel an verschiedenste Mess- und Steuerungsanforderungen anpassen lässt. In der Standardversion bietet das System vier Steckplätze für compactPCI-Karten (CPCI).

Ein Steckplatz ist generell belegt mit einer Prozessor-Karte, die anderen drei können mit unterschiedlichsten CPCI-Karten beliebiger Hersteller bestückt werden. Bei Bedarf gibt es neben dem Standard-System weitere Systeme mit einer beliebigen Zahl zusätzlicher Steckplätze. Um die langjährige Verfügbarkeit der MSX-Box zu gewähren, wurde die Prozessor-Karte selbst entwickelt. Sie wurde außerdem für industrielle MSR-Aufgaben optimiert, um die Leistungsfähigkeit des Systems zu erhöhen. Die MSX-Box enthält einen 333 MHz, 64 Bit MIPS-Prozessor, der dank RISC-Architektur und MIPS-Befehlssatz sehr leistungsfähig ist. Da der Prozessor kaum Abwärme produziert, kann auf aktive Kühlung und somit weitere potenzielle Verschleißteile verzichtet werden. Die Controller-Karte enthält einen Flash-Speicher mit standardmäßig 128 MB SDRAM, die sich auf 256 MB erweitern lassen und ausreichend Platz für Betriebssystem, Kundenapplikationen und temporären Speicher z.B. für Datenlogging-Anwendungen bieten. Je nach Anforderung der Anwendung lassen sich beliebige CPCI-Karten in das PAC-System integrieren.

Im Stahlwerk werden zum Auslesen der Walzendrehzahlen bzw. des Vorschubs zwei CompactPCI-Karten von Addi-Data verwendet: zum einen die Multifunktionszählerkarte des Typs CPCI-1710, die Informationen von Inkrementalgebern, Timern, Zähler oder SSI erfasst oder PWM-Signale ausgibt. Zum anderen die Multifunktionskarte CPCI-3120, die die Daten von analogen Sensoren, z.B. Laser-Sensoren zur Dickenmessung der Bleche, verarbeitet. Anschließend werden diese Daten bzw. das Ergebnis der Berechnung verwendet, um die Walzen nachzuregeln. In der beschriebenen Anwendung werden zudem die Sensoren für Temperatur- und Druckmessung über CAN- und Profibus eingelesen und verarbeitet, da der vorgegebene Vorschub und Walzendruck wesentlich von der aktuellen Temperatur des bearbeiteten Bleches abhängen.

Die Produktpalette bietet verschiedene CPCI-Karten mit digitalen oder analogen Ein/Ausgängen, Multifunktionskarten, Zählerkarten, Karten mit seriellen Schnittstellen oder Motion Control-Karten. Findet sich die passende Karte nicht im Angebotsspektrum der Messtechnikexperten kann man dank standardisierten Lösungen CPCI-Karten anderer Hersteller verwenden. Die MSX-Box gibt es auch mit den klassischen PCI-Karten. Bei einem Einsatz in extrem rauhen Bedingungen ist es jedoch ratsam, die MSX-Box in der CompactPCI-Version zu benutzen: die CompactPCI-Karten sitzen dank Führungsschiene und Auswurfhebel fester im Gehäuse und sind somit sehr unempfindlich gegenüber Vibrationen oder Schlägen.

Flexibilität zu Ende gedacht

Die Idee der Herstellerunabhängigkeit ist aber nicht nur bei der Hardware, sondern auch bei der Software konsequent umgesetzt. So arbeitet das System mit dem Betriebssystem Linux inklusive Echtzeiterweiterung RTAI. Der Einsatz des Open-Source-Betriebssystems hat drei wesentliche Vorteile: Erstens wird der Anwender unabhängig vom Update-Zwang, dem er in der Windows-Welt oder bei proprietären Betriebssystemen meist unterliegt. Zweitens spart das Open-Source-Betriebssystem Lizenzkosten und drittens erhöht es die Flexibilität, denn der Quellcode ist komplett offen gelegt. So lässt sich das Betriebssystem optimal an die jeweilige Applikation anpassen. Auch die Anpassung des Systems an zusätzliche Anforderungen wird damit einfach möglich. Anwendungen, bei denen sehr kurze Reaktionszeiten gefordert sind, wie im Stahlwerk beispielsweise bei der Dickenmessung und Walzenansteuerung, können somit direkt im Real Time Kernel programmiert werden. Für das Messen der Blechdicke zum Beispiel, mit zwei Sensoren je Messspur über und unter dem Blech, die Differenzbildung der Werte sowie das Bereitstellen der Stellgrößen für weitere Prozessschritte benötigt das System lediglich 50 µs. Da zudem konsequent auf überflüssige Multimediafunktionen oder im Hintergrund laufende Systemdienste verzichtet wurde, verschwendet der Prozessor keine Leistung für Applikationen, die nicht benötigt werden. Zugleich gibt es keine Dienste, die in zeitkritischen Momenten stören könnten. Für die Entwicklung eigener Software erhält der Anwender kostenlos die Live DVD. Diese enthält neben einer Entwicklungsumgebung auch umfangreiche Dokumentationen und zahlreiche Anwendungsbeispiele.

Das beschriebene Stahlwerk, aber auch viele andere Indus­trieanlagen, in denen PAC-Systeme eingesetzt werden, laufen meist jahre- oder sogar jahrzehntelang. Anlagenbauer und Betreiber fordern daher Komponenten, die über sehr lange Zeit verfügbar sind. Bei den MSX-Boxen mit der selbst entwickelten Prozessor-Karte sowie den standardisierten PCI- und compact PCI-Karten ist das der Fall. Mit der Wahl von Linux als Betriebssystem sichert der Messtechnikexperte auch die Langzeitverfügbarkeit seitens der Software. Im Gegensatz zu lizenzbasierten Betriebssystemen, für die der Anwender nach Abkündigung keine Lizenzen mehr erwerben kann, kann Linux zeitlich unbegrenzt weiterverwendet werden. Somit ist das System nicht nur bei Neubauten von Anlagen, sondern auch bei Retrofits sehr attraktiv.

Kommunikationsfähigkeit gefragt

Der Stahl kühlt über die Zeit, die er in der Produktion unterwegs ist, nach und nach aus. Erst am Ende der Fertigungsstraße hat er eine Temperatur erreicht, bei der die fertigen Bleche auf Rollen gewickelt werden können, ohne sich zu verziehen oder zu verkleben. Daher sind die Produktionsanlagen bei Stahlwerken oft sehr ausgedehnt. Es ist somit wichtig, einzelne Produktionsschritte miteinander zu vernetzen, sollen diese synchronisiert werden. Generell setzt die MSX-Box hier auf Standard-Ethernet (TCP/IP) als Kommunikationsmedium sowie das RT-Sync-Signal, um mehrere MSX-Boxen in Echtzeit zu synchronisieren. Weil die PAC-Systeme oft zusammen mit Steuerungen anderer Hersteller Teil einer großen Automatisierungsanlage sind, müssen sie sich zudem möglichst unkompliziert in eine übergeordnete Anlagensteuerung und Visualisierung einbinden lassen. Hier ist es vorteilhaft, dass das System Webserverfunktionen sowie einen FTP-Server und eine SOAP-Schnittstelle bietet. Im Stahlwerk müssen beispielsweise alle Messwerte geloggt und zur Qualitätssicherung auf einen zentralen Server gespeichert werden. Das ist mit dem PAC-System problemlos möglich.

Da beim PAC-System MSX-Box der Systemgedanke so konsequent umgesetzt wurde, sind die Einsatzbereiche sehr weitläufig. Je nach dem, mit welchen Karten das System bestückt ist, kann es reine Messtechnikaufgaben übernehmen, mit wieder anderen Karten wird es zur Steuerung. Potenzielle Einsatzbereiche finden sich im Maschinenbau, in der Verpackungs-, Holz- oder Textilindustrie ebenso wie in der Verkehrstechnik, in der Automobilindustrie und in der Luftfahrt. Aber auch im Bereich der erneuerbaren Energien, in der chemischen und der Lebensmittelindustrie sowie der Medizintechnik und der Pharmaindustrie gibt es Einsatzgebiete. Zu schätzen wissen Anwender das System überall, wo Langzeitverfügbarkeit, Echzeitfähigkeit und kurze Zykluszeiten gefordert sind, aber auch Unabhängigkeit von proprietären Systemen gewünscht ist. Hier hat das System dank konsequentem Umsetzen von Standards und des Open-Source-Gedankens die Nase vorn. W

www.addi-data.com