SPS-Vernetzung: Überbrückung von Datensilos für die intelligente Fertigung

Dieser Beitrag untersucht den wesentlichen Wert der Inter-PLC-Interaktion, entdeckt gängige Interaktionsansätze, bewertet Kernprotokolle und ihre Effizienzunterschiede und leitet die Leser durch Informationskontraste und Funktionsstudien bei der Auswahl und Konfiguration idealer Interaktionsoptionen an.

Einleitung: Die Unvermeidlichkeit der SPS-Vernetzung im Zeitalter der intelligenten Fertigung

Im aktuellen internationalen industriellen Wandel ist die industrielle Automatisierung nicht mehr nur ein Mittel zur Steigerung der Produktionseffizienz; sie ist eine tragende Säule für den Aufbau anpassbarer Fertigungssysteme und ermöglicht datengesteuerte Entscheidungsfindung.

Als „Gehirn“ industrieller Steuerungssysteme ist der speicherprogrammierbare Controller (SPS) nimmt eine entscheidende Stellung ein. Angesichts wachsender Produktionsbereiche, zunehmender Prozesskomplexität und der tiefgreifenden Integration von Technologien des Internets der Dinge (IoT) versagen eigenständige SPS-Systeme jedoch häufig.

Es besteht ein dringender Bedarf, effiziente, stabile und zuverlässige Interaktionsverbindungen zwischen den über verschiedene Produktionslinien verteilten und für unterschiedliche Aufgaben zuständigen SPSen herzustellen, um einen nahtlosen Informationsaustausch, einen integrierten Gerätebetrieb und eine internationale Optimierung der Produktionsprozesse zu erreichen.

Das typische „Infosilo“-Modell ist tatsächlich zu einem erheblichen Stau geworden, der die Weiterentwicklung der intelligenten Produktion behindert.

Wenn beispielsweise die SPS einer Verpackungslinie keine Echtzeit-Fertigungsinformationen von der vorgelagerten Ladelinie erhält, führt dies zu Taktungleichheiten. Ebenso verlängert sich die Ausfallzeit, wenn eine Robotersteuerungs-SPS keine Fehlerinformationen mit der SPS der Hauptproduktionslinie austauschen kann.

Diese Bedenken unterstreichen die Bedeutung der Kommunikation zwischen SPSen. Sie dient nicht nur als Brücke für den Informationsaustausch auf Geräteebene, sondern schafft auch die Grundlage für die fabrikweite und unternehmensweite Datenkombination, -auswertung und Entscheidungsfindung.

PLC-Vernetzung: Der Grundstein und Kernwert der intelligenten Fertigung

Die Interaktion zwischen SPSen geht weit über den einfachen Informationstransfer hinaus und ist der Grundstein für moderne industrielle Automatisierungssysteme, um die Einhaltung folgender Grundwerte zu erreichen:

Informationsaustausch und Transparenz: Echtzeit-Fertigungsdaten (wie Ergebnisse, Werkzeugstatus, Fehlercodes usw.), die zwischen verschiedenen SPSen ausgetauscht werden, ermöglichen die Produktionsüberwachung und eine detaillierte Betriebsübersicht. Dies bildet die Informationsgrundlage für Big-Data-Analysen und vorausschauende Instandhaltung. Dies trägt dazu bei, unerwartete Ausfallzeiten zu reduzieren und die Gesamtanlageneffektivität (OEE) zu steigern.

Kollaboratives Arbeiten und Prozessoptimierung: Durch die Interaktion können mehrere SPSen gemeinsam komplexe Fertigungsaufgaben ausführen. Beispielsweise können in einer automatisierten Fertigungsstraße Produktzufuhr, Handhabung, Inspektion und Verpackung von verschiedenen SPSen gesteuert werden. Die Datensynchronisation zwischen ihnen gewährleistet einen reibungslosen und effizienten Fertigungsablauf.

Zentralisierte Verwaltung und Fernsteuerung: Durch die Kommunikation zwischen Steuerungen können Leitstellen oder Managementsysteme (wie SCADA, MES) mehrere Steuerungen zentral prüfen, Parameter anpassen und aus der Ferne erkennen. Dies verbessert die Wartung und Skalierbarkeit des Systems erheblich und minimiert gleichzeitig die Betriebs- und Wartungskosten.

Anpassungsfähige Fertigung und schnelle Reaktion: Angesichts der sich rasch wandelnden Marktanforderungen benötigen moderne Fertigungsanlagen flexible Produktionskapazitäten. Die SPS-Vernetzung macht die Neukonfiguration und Anpassung von Produktionslinien besonders flexibel. Durch Remote-Setup und Programmdownloads lassen sich neue Produktionsaufgaben schnell anpassen. Im Wesentlichen ist die SPS-Vernetzung ein wichtiger Schritt zur Entwicklung digitaler Fabriken, ermöglicht intelligente Entscheidungen und stärkt den Wettbewerb.

Gründliche Analyse und Vergleich der wichtigsten Kommunikationsmethoden

Die wichtigsten Kommunikationstechniken zwischen SPSen sind die serielle Kommunikation, die identische Interaktion und die Industrial-Ethernet-Kommunikation. Das Verständnis ihrer Funktionen ist entscheidend für die Wahl der optimalen Lösung.

Serielle Kommunikation:

• Merkmale: Überträgt Daten bitweise. Benötigt weniger Signalleitungen, geeignet für größere Entfernungen.
• Vorteile: Einfache elektrische Verkabelung, reduzierter Preis, relativ bessere Schalldämmung.
• Einschränkungen: Relativ langsamere Übertragungsgeschwindigkeit, minimale Echtzeitfähigkeit.
• Typische Protokolle: Modbus RTU/ASCII, PPI, maßgeschneiderte RS-232/RS-485-Protokolle usw.

Parallele Kommunikation:

• Qualitäten: Überträgt Informationen in Bytes oder Wörtern gleichzeitig über mehrere Datenleitungen.
• Vorteile: Hohe Übertragungsgeschwindigkeit, starke Echtzeitkapazität.
• Einschränkungen: Aufwendige Verkabelung, kurze Übertragungsdistanz, höherer Preis, störanfällig.
• Häufige Anwendungen: Wird hauptsächlich für Anforderungen mit kurzer Distanz und hoher Geschwindigkeit verwendet, oft zwischen SPS-Modulen oder zwischen einer SPS und bestimmten Hochgeschwindigkeits-E/A-Komponenten. Wird viel seltener als Mainstream-Methode für die Inter-SPS-Konnektivität verwendet.

Industrielle Ethernet-Kommunikation:

• Merkmale: Basiert auf Standard-Ethernet-Technologie, ist jedoch auf Effektivität und Echtzeit-Effizienz in industriellen Umgebungen optimiert. Verwendet die TCP/IP-Protokollsuite und unterstützt unterschiedliche Netzwerkgeografien wie Stern-, Bus- und Ringnetzwerke.
• Vorteile: Hohe Geschwindigkeit (100 Mbit/s/Gbit/s), große Informationskapazität, hohe Netzwerkflexibilität, Unterstützung mehrerer Master und Servants, einfache Kombination mit IT-Netzwerken und hervorragende Skalierbarkeit.
• Einschränkungen: Relativ höhere Anfangsinvestition, besonders komplizierte Anordnung.

Leitfaden zur Bewertung und Auswahl gängiger Kommunikationsprotokolle

Interaktionsverfahren sind die „Sprache“ des Informationsaustauschs und legen Stil, Timing und Fehlerbehandlungsmechanismen für die Informationsübertragung fest. Bei der Interaktion zwischen SPSen ist die Auswahl des idealen Verfahrens von zentraler Bedeutung für das Systemlayout.

Modbus-Protokoll

• Einführung: Modbus ist ein langlebiges, offenes und weit verbreitetes serielles Kommunikationsprotokoll, das physische Benutzerschnittstellen wie RS-232 und RS-485 unterstützt. Darüber hinaus wurde daraus Modbus TCP entwickelt, das auf Ethernet basiert.
• Merkmale: Einfaches Prozedur-Framework, einfach anzuwenden und zu debuggen. Unterstützt Master-Slave-Konfigurationen, wobei ein Master mehrere Server verwalten kann. Umfangreiche Informationstypen, bestehend aus Spulen und Registern.
• Anwendungen: Wird häufig für die Interaktion zwischen verschiedenen SPS-Marken oder zwischen SPS und Werkzeugen verwendet. Sensoren, Bediengeräte, insbesondere in Situationen mit weniger strengen Echtzeitanforderungen oder als allgemeine Schnittstelle.

PPI-Protokoll (Point-to-Point Interface)

• Überblick: PPI ist ein serielles Kommunikationsprotokoll, das exklusiv für SPS der Siemens-Serie S7-200 verwendet wird und auf der physikalischen Schicht RS-485 basiert.
• Qualitäten: Spezifisch für SPS der Siemens-S7-200-Serie, hauptsächlich verwendet für den Programm-Upload/Download mit Programmsoftwareanwendungen (Step7-Micro/Win) und die Kommunikation zwischen S7-200 und HMIs. Unterstützt Master-Slave-Einstellung.
• Anwendungen: Beschränkt auf SPS der Siemens-Serie S7-200. In der aktuellen Mainstream-Serie S7-1200/1500 wurde es weitgehend durch die PROFINET/Ethernet-Interaktion ersetzt.

PROFINET-Protokoll

• Zusammenfassung: PROFINET ist ein von PROFIBUS & PROFINET International (PI) entwickeltes Kommunikationsverfahren für die industrielle Automatisierung, das auf dem Basis-Ethernet basiert.
• Eigenschaften: Hohe Geschwindigkeit, starke Echtzeitfähigkeit (unterstützt IR_T und verschiedene andere Echtzeitkurse), unterstützt anpassbare Netzwerktopologien (Linie, Stern, Ring), integriert Analysefunktionen und fördert eine einfache Werkzeugverwaltung und Designanordnung.
• Anwendungen: Wird von zahlreichen SPS-Marken wie Siemens und Beckhoff weithin eingesetzt. Es ist die bevorzugte Wahl für komplexe, schnelle und echtzeitkritische Produktionslinien (z. B. in der Automobilherstellung, bei Verpackungsmaschinen).

EtherNet/IP-Protokoll

• Überblick: EtherNet/IP (Ethernet Industrial Protocol) ist ein von der ODVA (Open DeviceNet Vendors Association) entwickeltes Industrieprotokoll, das ebenfalls auf Standard-Ethernet basiert.
• Eigenschaften: Nutzt das Common Industrial Protocol (CIP) zur Vereinheitlichung von Steuerungs-, Sicherheits-, Konfigurations- und Diagnosefunktionen. Unterstützt sowohl Explicit Messaging als auch Implicit Messaging für flexiblen Datenaustausch und leistungsstarke Echtzeitsteuerung.
• Anwendungen: Weit verbreitet mit Rockwell Automation's SPS von Allen-Bradley und zahlreiche andere CIP-konforme Geräte. Dominant auf dem nordamerikanischen Markt.