Dezentrale Automatisierung Dezentrale Peripherie mit zukunftsweisenden Möglichkeiten

Von Andreas Bohnenberger, Produktmanager, und Wilhelm Griesbaum, Hardware Architekt, beide Siemens AG.

Dezentrale Peripheriegeräte unterstützen Betreiber prozesstechnischer Anlagen seit vielen Jahren bei der Umsetzung von effizienten Steuerungskonzepten und flexiblen Systemaufbauten. Höhere Rechenleistung, moderne Bussysteme und das wachsende Angebot an analogen und digitalen Peripheriemodulen machen aus den einstigen feldnahen Signal-Sammlern heute wahre Multitalente.

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Große Antriebe sind in unzähligen Applikationen Taktgeber für Prozesse.
Große Antriebe sind in unzähligen Applikationen Taktgeber für Prozesse.
(Bild: © Evija - stock.adobe.com)

Prozessanlagen sind hochgradig individuell, die Automatisierungsanforderungen von Applikation zu Applikation sehr unterschiedlich. Entsprechend vielfältig geht es bei der Integration der Feldsignale über unterschiedliche Bussysteme zu: Sensoren sowie Aktoren müssen digital oder analog eingebunden werden, und im Feld stehen neben Sicherheitstechnik, Motorstartern oder Frequenzumrichtern viele weitere Geräte, deren Signale über dezentrale Peripheriegeräte geleitet werden. Hochgradig individuelle Konfigurationsmöglichkeiten, wie sie die Simatic ET 200-Produktfamilie bietet, haben sich hier bewährt.

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Das Peripheriesystem von Siemens ist modular aufgebaut und stellt sowohl innerhalb als auch außerhalb von Schaltschränken leistungsstarke dezentrale Automatisierungsfunktionen zur Verfügung – selbst in anspruchsvollen Anwendungen. Mit der ET 200SP HA ist 2017 ein auf die Prozessindustrie zugeschnittenes I/O-System auf den Markt gekommen, das sogar den hohen Anforderungen aus dem Kraftwerksbereich gewachsen ist. Das System zeichnet sich u. a. durch redundante Anschlusstechnik per Profinet aus und ermöglicht so die Umsetzung hochverfügbarer Prozessindustrie- und Kraftwerksanwendungen. Fehlersichere digitale Ein- und Ausgabemodule machen es fit für Applikationen auf Basis von Safety Integrated for Process Automation.

Module mit Mehrwert

Der modulare Ansatz, den Siemens mit dem Simatic ET 200-Portfolio verfolgt, verspricht dem Anwender u. a. die größtmögliche Anpassung an die jeweilige Automatisierungsaufgabe bei optimaler Skalierbarkeit, denn das System kann schrittweise erweitert werden. Von Vorteil ist außerdem der einfache Stationsaufbau inklusive schneller und fehlerfreier Verdrahtung. Die Funktionsvielfalt der steckbaren Module erstreckt sich von spezialisierten Anwendungen aus der Wägetechnik oder dem Energiemanagement über Sanft- und Motorstarter bis hin zu integrierten Systemfunktionen wie stoßfreie I/O-Redundanz.

Speziell für die hochverfügbare Simatic ET 200SP HA bietet Siemens ein Technologiemodul an, das für besonders schnelle Prozesse eingesetzt wird: schnelle Ein- und Ausgänge und Zählerfunktionen bis zu 70 kHz inklusive entsprechendem Sampling von Analogsignalen im 10-Millisekunden-Takt.

Zackiges Zählmodul für schnelle Reaktionen

Ob Verpackungs-, Fertigungs- oder Sortieranlagen: Bei vielen Prozessen kommt es auf das Erfassen und Aufsummieren von Ereignissen an. Das Technologiemodul Fast I/O & Counter erfasst und wertet Gebersignale mit sehr hoher Geschwindigkeit aus. Wo immer Signale gezählt und schnelle Reaktionen auf einen vorgegebenen Zählerstand ausgelöst werden müssen – bei Abfüll- und Verpackungsvorgängen ebenso wie in drehzahlgeregelten Anwendungen – kann es eingesetzt werden. Dazu verfügt das Modul über ein 32-Bit-Zählregister, geeignet für Drehzahlmessungen und Zählerfunktionalitäten auf bis zu vier Kanälen in einem wählbaren Messbereich von 0,1 Hz bis zu 70 kHz. Dabei entlastet es angeschlossene Controller durch direkten Anschluss von Inkremental- oder Impulsgebern über die vier integrierten Digitaleingänge.

Sämtliche Ein- und Ausgänge sind frei zuweisbar und per Software konfigurierbar. Für sehr hohe Systemverfügbarkeit sorgt die stoßfreie Umschaltung sämtlicher Analog- und Digitalausgänge im Redundanzfall.

Maschinenschutz out-of-the-box

Ein weiteres Technologiemodul steht speziell für den Schwingungsschutz von Assets mit sich drehenden Teilen zur Verfügung. Es misst und berechnet permanent Kennwerte, die den Schwingungszustand entsprechender Anlagenteile, z. B. Turbinen, Pumpen, Verdichter oder rotierende Walzen, wiedergeben. Auch hier spielt Geschwindigkeit eine entscheidende Rolle.

Zwei typische Anwendungen verdeutlichen Nutzen und Mehrwert des Moduls: Fällt ein Lüfter in einer Reinraumumgebung aufgrund eines Lagerschadens aus, muss das umgehend detektiert und gemeldet werden. Nur so können entsprechende Gegenmaßnahmen vom System eingeleitet werden, um die Produktqualität aufrechtzuerhalten. Geschieht dies nicht, droht nicht nur der Verlust einer Produktcharge, auch die Reinraumumgebung muss unter Zeit- und Energieeinsatz wieder hergestellt werden. Auswirkungen ganz anderer Art sind überall dort zu befürchten, wo leistungsstarke Antriebe eingesetzt werden. Hier herrschen enorme Kräfte und es gilt, gefährliche Betriebszustände unter allen Umständen zu verhindern: Unwuchten oder Lagerschäden könnten massive Maschinen- oder schlimmstenfalls Personenschäden verursachen.

In beiden beschriebenen Fällen können die vom Technologiemodul berechneten Kennwerte in übergeordneten Steuerungen auf Grenzwertverletzungen hin überwacht werden. Entsprechend schnell leitet das Automatisierungssystem dann die Abschaltung der Komponente ein. Alles, was für diese Form des Maschinenschutzes erforderlich ist, bringt das Modul mit: integrierte Signalverarbeitung, schnelles Handling und die notwendigen Bild- und Bedienbausteine für das Prozessleitsystem Simatic PCS 7.

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Maschinenschutz – nicht nur High-End

Mit dem Schwingungsschutz-Technologiemodul ist heute die Umsetzung von Maschinenschutzkonzepten nicht nur in High-End-Anwendungen, sondern auch bei kleineren Installationen wirtschaftlich möglich: Sie kann als integrierte Lösung über eine entsprechend aufgebaute Simatic ET 200SP HA-Station erfolgen. Durch die hochverfügbare Aufbautechnik ist Redundanz über die gesamte Signalkette möglich. Das bedeutet, dass sich über Standardkomponenten und bei minimalem Verkabelungsaufwand Maschinenschutz-Anwendungen für Motoren, Verdichter, Pumpen, Getriebe oder Turbinen umsetzen lassen, die Maschinen, Menschen und die Umwelt schützen. Für diesen Einsatzzweck ist das Technologiemodul in der Lage, die Analogwerte von bis zu vier Schwingungssensoren mit einer Abtastfrequenz im Bereich von 6,4 kHz bis 102,4 kHz bei 24-Bit-Auflösung aufzunehmen und direkt zu digitalisieren.

Konfigurierbare Funktionsketten

Für die anschließende Signalverarbeitung in digitaler Form stehen Funktionsketten zur Verfügung. Eine Funktionskette besteht aus unterschiedlichen Funktionsblöcken, welche die am Analogeingang angeschlossenen Sensorsignale aufbereiten, zehn solcher Funktionsketten sind frei konfigurierbar. Sie enthalten Filter und Kennwertbildner. Eine typische Funktionskette für Schwingungsschutz vereint nacheinander Funktionsblöcke wie Hochpassfilter, Integratoren für die Umrechnung von Beschleunigung auf Geschwindigkeit und Weg und Tiefpassfilter zur Rauschreduzierung, die hochfrequente Störungen entfernen. Außerdem einen Detektor, der den Charakter des zu berechnenden Wertes festlegt, beispielsweise Effektiv- oder Spitzenwert. So kann die absolute Wellenschwingung im Antriebsstrang entweder durch Beschleunigung oder als Geschwindigkeit errechnet werden.

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Fazit: Der Einsatz der Simatic ET 200-Technologie löst technologische und messtechnische Aufgaben mithilfe von regulären Modulen mit integrierten Technologie-Funktionen als auch über spezielle Technologie-Module mit High-Feature- oder High-Speed-Fähigkeiten. Ob es sich dabei um schnelle Zählvorgänge oder die Umsetzung von Maschinenschutzkonzepten anhand von Schwingungsdaten handelt: Anwender profitieren stets von homogener und kostengünstiger Aufbautechnik. Das modulare Peripheriesystem von Siemens sichert gleichzeitig viele Ausbaumöglichkeiten für zukünftige Anwendungen. Neben Steigerung der Anlagensicherheit ziehen Betreiber auch Vorteile aus erhöhter Verfügbarkeit und der Optimierung der Gesamtanlageneffektivität.

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