Automation und Prozesstechnik in einem System – von der Maschinensteuerung bis zur Gebäudeautomation in der Lackierhalle

Das Steuerungssystem für die Prozessautomatisierung

Mit einem durchgängigen Komponentenbaukasten und einem tiefen, branchenübergreifenden Know-how realisiert Beckhoff offene Automatisierungssysteme auf der Grundlage PC-basierter Steuerungstechnik. Dabei werden alle Steuerungsfunktionen, wie SPS, Visualisierung, Cloud-Anbindung, Sicherheits- und Messtechnik auf einer durchgängigen Plattform integriert.

Die systemintegrierte Lösung von Beckhoff bietet eine effiziente Alternative zu traditionellen Anbietern und eignet sich für den Einsatz in zahlreichen Märkten, wie der Öl- und Gasförderung, der Chemie und Petrochemie, der Wasserstoffindustrie, der Metallverarbeitung oder der Wasser- und Energiewirtschaft.

PC-based Control für die Prozessindustrie:

• durchgängige Hard- und Softwareplattform zur Automatisierung aller prozesstechnischen Applikationen
• umfangreiches Portfolio an Komponenten für den Explosionsschutz
• offene Schnittstellen bieten maximale Flexibilität und Investitionsschutz
• Steuerungs- und Kabelredundanz für erhöhte Anlagenverfügbarkeit
• PC-basierte Steuerungstechnik ist weltweit und branchenübergreifend etabliert.

EtherCAT-Klemmen integrieren alle Steuerungsfunktionen

Mit dem Prinzip der PC-basierten Steuerungstechnik ermöglicht Beckhoff die Kombination unterschiedlichster I/O-Komponenten in einem System. So können EtherCAT-Klemmen zur Integration von funktionaler Sicherheit sowohl mit EtherCAT-Messtechnikklemmen als auch mit I/O-Modulen mit integrierter Trennbarriere zum Anschluss eigensicherer Feldgeräte aus dem Ex-Bereich frei kombiniert und in ein ganzheitliches Steuerungssystem eingebunden werden. Anlagenbetreibern steht hiermit eine effiziente Komplettlösung für alle applikationsseitigen Anforderungen zur Verfügung.

Flexibles Anlagendesign mit PC-based Control:

• Integration aller I/O-Komponenten in einem System
• Kombination von Safety, Messtechnik und Explosionsschutz
• Offenheit gegenüber 3rd-Party-Systemen
• Hohe Interoperabilität vereinfacht Retrofits
• Systemoffenheit bietet Investitionsschutz

Vereinfacht die Inbetriebnahme von Feldgeräten: TwinCAT

Die vollumfängliche Integration der HART-Funktionalität sowohl in das I/O-System als auch in das TwinCAT-Engineering stellt eine einfache Projektierung und Inbetriebnahme sicher. Durch die HART-Integration können Anwender HART-Feldgeräte direkt in die Steuerung einbinden. Darüber hinaus reduziert TwinCAT den Engineeringaufwand: Der TwinCAT-FDT-Container erlaubt die Einbindung von Feldgeräte-DTMs direkt in das TwinCAT-Engineering und bietet somit Programmierung und Feldgerätekonfiguration in einer Umgebung.

Der Beckhoff ComDTM ermöglicht die lückenlose Integration von TwinCAT-Steuerungen in vorhandene Prozessleitsysteme. Mit Hilfe des ComDTM lassen sich die DTMs, der an die HART-fähigen EtherCAT-Klemmen angeschlossenen Feldgeräte, in beliebigen FDT-Containern übergeordneter Systeme einbinden. Dadurch lassen sich Feldgeräte remote und ohne direkten Zugriff auf die SPS konfigurieren und parametrieren.

Integrierte Steuerungsredundanz erhöht die Anlagenverfügbarkeit

In der Prozessindustrie spielt die Anlagenverfügbarkeit eine entscheidende Rolle. Um sie zu erhöhen, können mithilfe redundanter Architekturen Ausfälle einzelner Steuerungskomponenten abgesichert werden. Für den redundanten Steuerungsbetrieb steht TwinCAT Controller Redundancy zur Verfügung.

Mit der systemintegrierten Softwarelösung lassen sich zwei Standard-Industrie-PCs mit nur wenigen Projektierungsschritten als redundante Steuerungen betreiben, die beide das gleiche SPS-Programm ausführen. Eine zusätzliche, hoch performante Netzwerkverbindung zwischen beiden Steuerungen sorgt für die erforderliche Datensynchronisation. Zum Einsatz kommt dabei Standard-Ethernet, sodass keine dedizierten Hardware-Komponenten benötigt werden. Auf diese Weise wird sichergestellt, dass lediglich einer der beiden Industrie-PCs die Feldbuskomponenten zu einem bestimmten Zeitpunkt anspricht und dass die Steuerungsprogramme auf beiden Rechnern mit der gleichen Datenbasis ausgeführt werden. Sollte eine Steuerung ausfallen, übernimmt nahtlos die zweite Steuerung, sodass Anlagenstillstand und Datenverlust verhindert werden.

Flexibler Automatisierungsbaukasten für NOA-Konzepte

Mit NAMUR Open Architecture (NOA) sollen Daten einfach und sicher für Anlagen- und Geräteüberwachung sowie mögliche Optimierungen nutzbar gemacht werden, ohne dabei die bestehenden Automatisierungssysteme zu beeinflussen. Mit unserem modularen Automatisierungsbaukasten bieten wir flexible Lösungskonzepte.

In vielen Anlagen sind intelligente Feldgeräte installiert, die neben dem Messwert weitere Daten zur Verfügung stellen. Häufig werden diese jedoch nicht erfasst, z. B. bei HART-Feldgeräten, die als 4…20 mA-Sensor betrieben werden. In diesem Fall lassen sich die Gerätedaten durch das Nachrüsten einer Steuerung mit HART-fähigen I/O-Modulen erfassen und über OPC UA nutzbar machen. Je nach Applikation ist auch die Installation von zusätzlicher Sensorik zur Zustandsüberwachung sinnvoll. Hier kommen z. B. die IP67-geschützen EtherCAT-Box-Module zum Einsatz, die sich direkt im Feld installieren lassen und somit keinen Platz im Schaltschrank benötigen.

Ideal geeignet für die Prozessindustrie: der offene Feldbus EtherCAT

Als universell einsetzbarer und offener Highspeed-Feldbus eignet sich EtherCAT für alle Einsatzbereiche, von SPS und Antriebstechnik über Sensorik, Mess- und Sicherheitstechnik bis zu Explosionsschutz. Mit EtherCAT benötigen Sie nur noch eine einzige Kommunikationstechnologie für Ihre gesamte Anlage und können zudem von der Sicherheit und optimalen Performance der durchgängigen EtherCAT-Architektur profitieren. Die EtherCAT-basierte Steuerung ist außerdem offen hinsichtlich der Integration von 3rd-Party-EtherCAT-Geräten sowie der Einbindung anderer Feldbussysteme.

Mit der Extended-Distance-Technologie vereinfacht EtherCAT die Datenerfassung in verteilten Arealen, indem über Entfernungen bis zu 300 m kommuniziert werden kann. Zum Einsatz kommen dabei beispielsweise zwei EtherCAT-Koppler EK1101-0010, an die Standard-EtherCAT-Reihenklemmen gesteckt werden können. Für größere Distanzen stehen Lichtwellenleiter-Lösungen mit bis zu 100 km Übertragungslänge zur Verfügung. Um sicherzustellen, dass das Netzwerk oder Netzwerksegmente einer Anlage immer erreichbar sind, wird mittels EtherCAT-Kabelredundanz eine fehlertolerante Ringtopologie aufgebaut. Darüber hinaus lässt sich mit dem EtherCAT-Diagnosekonzept eine durchgängige, lückenlose und schnelle Fehleridentifizierung realisieren. So wird der Wartungsaufwand reduziert und die Verfügbarkeit der Anlage erhöht.

Die ELX-Serie: EtherCAT-Klemmen mit eigensicheren Schnittstellen

Mit den ELX-Klemmen kombiniert Beckhoff hochkompakte Remote-I/O-Module mit Trennbarrieren für den direkten Anschluss eigensicherer Feldgeräte aus Zone 0/20 und 1/21. Das Ergebnis: äußerst schmalbauende EtherCAT-Klemmen zum direkten Anschluss eigensicherer Sensoren und Aktoren. Dabei garantieren die ELX-Klemmen mit ihrer hohen Auflösung und Genauigkeit die gewohnte Beckhoff Messqualität. Ein weiterer Vorteil ergibt sich durch die kompakte Bauform der Klemmen: Im 12-mm-Gehäuse stehen bis zu acht eigensichere Eingänge zur Verfügung. Der Verzicht auf zwischengeschaltete, externe Barrieren führt zu einer deutlichen Reduktion des Platzbedarfs im Schaltschrank mit den damit verbundenen Kostenvorteilen. Mit der Zertifizierung gemäß ATEX, IECEx und NEC/CEC sowie weiteren länderspezifischen Standards und Richtlinien können die ELX-Klemmen weltweit in nahezu allen Märkten eingesetzt werden.

Die ELX-Klemmen optimieren nahezu alle Prozesstechnikanwendungen:

• hochkompakte Bauform
• Trennbarriere und Signalklemme kombiniert
• direkter Anschluss eigensicherer Feldgeräte
• große Signalvielfalt
• umfangreiches Portfolio an Zertifikaten
• deutliche Kostenvorteile

Eigensichere Signalerfassung in IP67 mit den EPX-Box-Modulen

Die EtherCAT-Box-Module der EPX-Serie kombinieren Eigensicherheit mit Schutzart IP67 und eignen sich zur Realisierung modularer und schaltschrankloser Anlagenkonzepte im explosionsgeschützten Bereich. Die robusten EPX-Module können direkt an der Maschine oder Anlage montiert werden und ermöglichen die Erfassung eigensicherer Signale bis aus Zone 0/20. Damit bieten sie eine zuverlässige Datenerfassung für Ex-Bereiche, in denen kein Schaltschrank installiert werden kann oder soll. Die entsprechende Platzersparnis wird unterstützt durch die äußerst kompakte Modulbauform, wodurch sich ebenfalls Kosten reduzieren lassen. Zusätzliche Vorteile sind die einfache Inbetriebnahme, die Vermeidung von Installationsfehlern aufgrund falscher Kontaktbelegungen sowie die durch eine Vor-Ort-Signalerfassung reduzierten Leitungslängen.

Präzise Messtechnik im Schaltschrank: die ELM-Klemmen

Die EtherCAT-Messtechnikmodule der Serie ELM bieten hochleistungsfähige Messtechnik und sind speziell für den Industrieeinsatz designt - mit entsprechend kurzen Konfektionierungszeiten in industrieüblicher Schaltschrankumgebung.

Es sind zwei Serien verfügbar: Die Basisserie ELM3x0x, mit hohen Sampleraten von 10 kSps, erfasst hochdynamische Vorgänge bei gleichzeitig hoher Messgenauigkeit– simultan über alle Kanäle und Module hinweg. Die Economyserie ELM3x4x ist mit 1 kSps für Vorgänge mit geringerer Dynamik ausgerichtet.

Beide Produktlinien unterstützen bewährte EtherCAT-Features wie die Distributed-Clocks-Zeitstempelung im ns-Format und die Feldbusdiagnose. Darüber hinaus ermöglicht das EtherCAT-Diagnosekonzept mit 100-MBit-Datenrate sowie durchgängiger, lückenloser Diagnose eine schnelle Fehleridentifizierung. So erkennen die EtherCAT-Messtechnikmodule automatisch etwaige Fehlmessungen, die ansonsten irrtümlich für valide gehalten werden könnten. Damit sorgen sie auch in typischen unbegleiteten, wartungsarmen Anlagen langfristig für einen zuverlässigen Betrieb.

Elegante Ex-Panels: die CPX-Serie im robusten Aluminiumdesign

Mit den Modellen der CPX-Panel-Serie ist die bewährte Multitouch-Technologie der Beckhoff Control Panels und Panel-PCs in besonders robuster Ausführung verfügbar und erfüllt die Anforderungen für den Einsatz in explosionsgefährdeten Bereichen der Zone 2/22. Die hohe Funktionalität und die hochwertige Verarbeitung sichern die Langlebigkeit der CPX-Panels auch unter rauen Umgebungsbedingungen. Die Bedienung vor Ort ist durch die kapazitive Touch-Technologie gewohnt komfortabel. Dabei bleibt das ansprechende ästhetische Erscheinungsbild unserer Panels hinsichtlich Haptik und Design der Aluminiumgehäuse unverändert, sodass sie ein optisches Highlight im Ex-Anlagenumfeld bilden. Das umfassende CPX-Portfolio umfasst eine große Auswahl an Formaten, Größen, Montageoptionen und Leistungsmerkmalen. Je nach Anwendungsgebiet stehen sowohl Panels für den Schaltschrankeinbau als auch Stand-alone-Panels für die freie Montage im Raum zur Verfügung. Die lüfterlosen Panel-PCs bieten darüber hinaus eine zuverlässige Anlagensteuerung.

Multitouch für die Prozessindustrie:

• kapazitive Touch-Technologie für optimierte Bedienung
• hochwertiges Design
• robust und langlebig
• flexible Montage
• bis zu 100 m Abstand zwischen Ex-Panel und Industrie-PC mit CP-Link 4: Übertragung von Videosignal, USB 2.0 und Stromversorgung in einem Standard-Cat.6A-Kabel

Controller und Remote-I/Os erlauben flexible Topologien

Leistungsstarke Industrie-PCs bilden die Basis für einen zentralen Leitstand zur Führung und Überwachung der Prozesse der gesamten Anlage. Die Anbindung an Sensorik und Aktorik erfolgt über Remote-I/Os, die über einen Feldbuskoppler die Daten aus dem Feld zum Leitstand übertragen.

Mit den Embedded Controllern der CX-Serie, die nach ATEX, IECEx und NEC/CEC für den Einsatz in Zone 2/22 zertifiziert sind, kann hingegen die Steuerung eines Anlagenteils lokal im Schaltschrank ablaufen, was insbesondere im Hinblick auf Modularisierung Potential zur effizienteren Prozessautomatisierung erschließt. Zudem werden die vielfältigen Funktionen der TwinCAT-Automatisierungssoftware direkt im Feld nutzbar.

In beiden Fällen kann durch die entsprechende Auswahl des Controllers oder des Kopplers die Kommunikation zum überlagerten System über das erforderliche Protokoll sichergestellt werden.

Modulautomatisierung mit TwinCAT MTP

Die Modularisierung von prozesstechnischen Anlagen wird durch das Module Type Package-Konzept (MTP) standardisiert. Mit MTP werden einzelne Module anhand verschiedener Aspekte, wie deren Schnittstellen oder ausführbaren Dienste, beschrieben. Die Informationen über das Modul werden in einer MTP-Datei gespeichert, die in eine überlagerte Steuerung importiert wird. Dies ermöglicht die effiziente Inbetriebnahme und Verknüpfung Module verschiedener Hersteller. Die Integration des MTP-Konzepts in TwinCAT vereinfacht durch automatisch generierten Sourcecode und Bibliotheken für die SPS-Programmierung die richtlinienkonforme Automatisierung eines Anlagenmoduls. Dadurch wird eine vorgefertigte Projektstruktur zur Verfügung gestellt, in der welcher der Anwender lediglich die prozessspezifischen Funktionen der Dienstzustände programmiert. Anschließend kann direkt aus dem TwinCAT-Projekt ein MTP exportiert werden.

Die Vorteile von TwinCAT MTP:

• automatische Generierung und Export des MTPs
• hoher Individualisierungsgrad zur optimalen Anpassung an bestehende Prozesse
• richtlinienkonforme IEC-61131-Funktionsbaustein-Bibliothek
• einfacher MTP- und P&ID-Import
• nahtlose Integration in TwinCAT Engineering
• kombinierbar mit TwinCAT XCAD Interface

ELX-Klemmen: eigensichere Signalübertragung und funktionale Sicherheit

Den Anforderungen an die Prozessleittechnik hinsichtlich der funktionalen Sicherheit begegnet Beckhoff mit der vollumfänglichen Integration der Sicherheitstechnik in das Automatisierungssystem. Kompakt und modular im Aufbau fügt sich die Sicherheitslösung TwinSAFE nahtlos in die Steuerungsplattform ein. Damit bietet PC-based Control eine einzige Plattform, die sowohl die Anforderungen der funktionalen Sicherheit als auch des Explosionsschutzes erfüllt. So ermöglichen die mit TwinSAFE-SC erweiterten ELX-Klemmen den direkten Anschluss eigensicherer Feldgeräte bis Zone 0/20 für sicherheitsgerichtete Funktionen.

Funktionale Sicherheit und Eigensicherheit in einem System:

• hochkompakte Lösung mit bis zu vier Kanälen auf 12 mm
• direkter Anschluss eigensicherer Feldgeräte bis in Zone 0/20
• funktionale Sicherheit
• deutliche Kostenvorteile

TwinCAT: die Steuerungsplattform für die Prozessindustrie

Mit der Automatisierungssoftware TwinCAT bietet Beckhoff eine zentrale Plattform zur Steuerung prozesstechnischer Maschinen und Anlagen. Neben der klassischen Prozessführung im SPS-Programm können auch in C++, MATLAB^® und Simulink^® geschriebene Algorithmen in Echtzeit ausgeführt werden. TwinCAT umfasst zudem das HMI, die sichere Cloud-Anbindung über TwinCAT IoT sowie die Nutzung von Analysefunktionen über TwinCAT Analytics. Mit der umfassenden Integration spezifischer Prozesstechnik-Protokolle und -Schnittstellen wird der Einsatzbereich von PC-based Control für die Prozessautomatisierung erweitert. Durch die Unterstützung der gängigen Standards, wie NAMUR, HART und FDT/DTM, deckt TwinCAT die Anwendungsbereiche verfahrenstechnischer Applikationen ab.

TwinCAT-Highlights für die Prozessindustrie:

• ein Tool für Engineering und Runtime
• steuerungsintegrierte Industrie-4.0- und IoT-Anwendungen
• umfassende Datenauswertung mit Analytics-Funktionen
• standardisierte Kommunikation über OPC UA
• vereinfachte Feldgerätekonfiguration durch FDT/DTM
• Ausführung von Modellen in MATLAB^® und Simulink^®

Vom Sensor in die Cloud: durchgängige Lösungen für die Prozessindustrie

In der Prozessindustrie sind zunehmend Automatisierungslösungen im Sinne einer anlagenübergreifenden Vernetzung gefragt. Die traditionelle Trennung von diskreter und Prozessautomatisierung ist heute nicht mehr Stand der Technik. PC-basierte Steuerungstechnik bietet mit der Möglichkeit zur Verknüpfung dezentraler Systeme bei gleichzeitiger zentraler Auswertung und Steuerungsmöglichkeit der Prozesse alle Voraussetzungen für das Zusammenwachsen der Technologien beider Anwendungsgebiete. Aufgrund der Offenheit stellt PC-based Control die optimale Basis zur Realisierung einer vernetzten Fertigung gemäß Industrie-4.0- und IoT-Konzepten dar: Von der horizontalen Integration − auch über Unternehmensgrenzen hinweg – über die vertikale Integration mit vernetzten Produktionssystemen bis zur Durchgängigkeit des Engineerings während des gesamten Produktlebenszyklus.

Für die Kommunikation zwischen der Anlagensteuerung und cloudbasierten Diensten haben wir die Softwarebibliothek TwinCAT IoT entwickelt. Sie unterstützt die standardisierten Protokolle OPC UA, AMQP und MQTT zur Kommunikation mit gängigen Cloud-Systemen, wie Microsoft Azure™, Amazon Web Services sowie Private-Cloud-Systeme im unternehmenseigenen Netzwerk.