Einsatz standardisierter Steuerungssysteme im ... - RDB eV

Automatisierung
Einsatz standardisierter Steuerungssysteme
im automatisierten Steinkohlebergbau
Dr.-Ing. habil. Franz Becker, Friedrichsthal; Prof. Dr. Walter Jakoby, Trier;
Ing. Karlheinz Soyke, Bottrop*
Die Weiterentwicklung industrieller
Produktionsprozesse erfordert
kontinuierliche Innovationen. Sie
dienen zur Verbesserung der
Wirtschaftlichkeit und zur
Erhöhung der Sicherheit. Innovationen
erfolgen durch die Weiterentwicklung
der eingesetzten
Maschinen („größer, stärker,
schneller“), durch die Automatisierung
des Maschinenbetriebs mit
Hilfe von Rechnern und durch
Vernetzung der Rechner für einen
lückenlosen und durchgängigen
Informationsaustausch.
Sowohl auf der Seite der Produktionsprozesse
als auch auf der
Seite der Automatisierungsgeräte
ist der Grad der Vernetzung und
der Komplexität bereits auf ein
enormes Niveau angewachsen.
An alle Beteiligten – Hersteller,
Entwickler, Konstrukteure, Betreiber
und Bediener – stellt das
erreichte Komplexitätsniveau
hohe Anforderungen. Es gibt
verschiedene Methoden, um
diese Anforderungen trotz eines
limitierten Zeitbudgets erfüllen zu
können.
Die beiden wirksamsten Methoden
sind Standardisierung und Modularisierung
zur Schaffung von wieder
verwendbaren Modulen. Der
Standardisierungsansatz kann dabei
in allen Phasen des Produkt-
Lebenszyklus und von
allen Beteiligten verfolgt werden.
Standardisierung gibt es beim
Hersteller hoch integrierter
elektronischer Bauteile, beim
Entwickler von Automatisierungsbaugruppen
und -geräten, beim
*Dr.-Ing. habil. Franz Becker, Becker Mining Systems
AG, Barbarastraße 3, 66299 Friedrichsthal,
Prof. Dr. Walter Jakoby, Fachhochschule Trier,
Schneidershof, 54293 Trier, Ing. Karlheinz Soyke,
Deutsche Steinkohle AG, Prosperstraße 350,
46238 Bottrop
Aufbau von
Kommunikationsschnittstellen,
beim Entwurf
von Benutzer-Interfaces
und auch
bei der Projektierung
von
Automatisierungslösungen.
Die beispielhafte
Umsetzung des Standardisierungsansatzes
und der Nutzen
für den Anwender sollen
in diesem Aufsatz
am Beispiel der
IPC-Technik im automatisierten
Steinkohlebergbau
demonstriert
werden.
Mit den Steuergeräten
MINCOS MMC
und MINING MASTER
(Bild 1) hat die Becker
Mining Systems AG
bekannte Hardwareund
Software-Standards
für den Einsatz
im Steinkohlebergbau
unter Tage verfügbar gemacht. Unter Verwendung
des MINCOS MMC wurde daraus
von der Abteilung „Zentraler Energiezugbau“
(BTW-WE/R) des Servicebereichs
Technik und Logistik der Deutsche
Steinkohle AG (DSK) eine standardisierte
zentrale Steuertafel (Bild 2) für verschiedene
Anwendungsaufgaben konstruiert.
Nach umfangreichen übertägigen Tests
und 2 untertägigen Feldversuchen ist das
System nun in den regulären Serieneinsatz
gegangen.
Anforderungen des Bergbaus
an Automatisierungssysteme
Der Einsatz von Werkzeugen, Methoden
und Geräten in einem industriellen
Produktionsprozess ist nie Selbstzweck,
sondern verfolgt auf verschiedenen Wegen
grundsätzlich immer die gleichen Ziele:
die Erhöhung der Wirtschaftlichkeit und
1 Kompaktes Automatisierungsgerät MINCOS MMC
Grafik: Becker Mining Systems AG/DSK AG
der Sicherheit. Am Anfang eines gelungenen
Automatisierungsvorhabens sollte daher
immer der zu automatisierende Prozess
stehen.
Ein Bergwerk ist ein Produktionsbetrieb
mit einer Vielzahl unterschiedlicher, vernetzter
Maschinen, Anlagen und Einrichtungen.
Die Einrichtungen sind dabei über
einen großen, viele Kilometer umfassenden
räumlichen Bereich verteilt und dennoch
in beengten räumlichen Verhältnissen
untergebracht, in denen sich zudem
auch Menschen regelmäßig aufhalten. Der
Betrieb eines Steinkohlebergwerks ist daher
durch sehr restriktive Rahmenbedingungen
gekennzeichnet. Hier ist vor allem
die explosionsgefährdete Umgebung zu
nennen. Aber auch hohe oder niedrige
Temperaturen, hohe Luftfeuchtigkeit und
der Staub stellen große Belastungen dar.
Der Betrieb elektrischer Einrichtungen in
einer derartigen Atmosphäre schließt die
390 bergbau 9/2007

Automatisierung
2 Standardisierte Steuertafel mit MINCOS MMC
Grafik: Becker Mining Systems AG/DSK AG
Verwendung industrieüblicher Technik aus.
Die besonders rauen Umgebungsanforderungen
können nur durch sehr robuste
Bauformen erfüllt werden.
Die beengten Platzverhältnisse unter
Tage führen zu einem unmittelbaren Zusammenwirken
von Mensch und Maschine,
was hohe Sicherheitsanforderungen
nach sich zieht. Stillsetz- und Sperreinrichtungen
sind daher obligatorische Bestandteile
von Maschinen.
Die großen Entfernungen in Kombination
mit schlechter Zugänglichkeit fordern
umfangreiche Kommunikationskanäle sowohl
für den Menschen als auch für die
Steuerungsrechner. Die ständig wechselnden
räumlichen Gegebenheiten, machen
den Einsatz flexibel konfigurierbarer Systeme
erforderlich.
Das skizzierte Anforderungsprofil des
Bergbaus basiert zum Teil auf den europäischen
Richtlinien, wie z.B. ATEX-
Richtlinie, Maschinenrichtlinie, EMV-
Richtlinie und Niederspannungsrichtlinie,
um nur die wichtigsten zu nennen, geht
aber an vielen Punkten durch spezielle
Verordnungen, Richtlinien und Normen
weit über die EU-Richtlinien hinaus.
Innovationsschritte bei
Automatisierungssystemen
Die in den zurück liegenden Jahrzehnten
stetig gestiegenen Anforderungen an Automatisierungssysteme,
bei denen eine Verlangsamung
bislang nicht erkennbar ist,
wurden auf der Seite der Hersteller durch
vielfältige Forschungs- und Entwicklungsvorhaben
angepackt und in Form konkreter
Innovationsschritte bewältigt. Die detaillierte
Aufzählung dieser Schritte ist an dieser
Stelle nicht erforderlich.
Sicherlich die bedeutendste Innovation
ist die Erfindung und Entwicklung hoch integrierter
mikroelektronischer Halbleiterbauelemente.
Egal ob als Prozessoren,
Speicher oder sonstige Bausteine bilden
sie den Kern nicht nur von Rechnern, sondern
aller elektronischen Geräte unserer
Zeit. Bei weitem nicht die einzige, aber sicher
eine der anschaulichsten Kennzahlen
für diese Entwicklung ist die Zahl der Transistoren
pro Chip. Diese Zahl verzehnfacht
sich alle 10 Jahre. So hat sich die Zahl der
Transistoren von 2300 beim ersten Mikroprozessor
der Welt (Intel 4004 im Jahre
1971) auf derzeit etwa 400 Mio. erhöht.
IPC-Technik
Die PC-Technik hat zunächst ab 1980
den Bürobereich und dann ab 1990 als Industrie-PC
(IPC) auch den Industriebereich
als Standardrechner erobert. Trotz
vielfältiger Erscheinungsformen der Rechner,
gibt es einige wesentlichen Gemeinsamkeiten,
die das Wesen eines PC ausmachen.
Es sind dies Standards bei der Hardware
und der Software, die eine Portierung
und Mehrfachnutzung von einmal entwickelten
Komponenten ermöglichen und
damit den beträchtlichen Entwicklungsaufwand
auf eine genügend große Stückzahl
verteilen.
Als Standards bei der PC-Hardware
sind zu nennen: die Prozessorarchitektur,
die rechnerinternen Lokalbusse (PCI),
standardisierte Schnittstellen für den Anschluss
von Geräten (USB, Firewire, EI-
DE) sowie durchgängige externe Bussysteme
(Ethernet). Bei der PC-Software existieren
Standards beim Betriebssystem, bei
den Anwendungsprogrammen, bei den
Programmiersystemen und den Kommunikationsprotokollen.
Die Schaltungskomplexität der Mikroprozessoren
entwickelt sich seit vielen
Jahren mit exponentieller Geschwindigkeit,
die nach dem Intel-Begründer als
„Moore’s Law“ bekannt ist: die Anzahl der
Transistoren, die auf einem Baustein integriert
werden können, und damit auch die
Leistungsfähigkeit des Bausteins verdoppelt
sich in einem Zeitraum von 18 bis 24
Monaten. Der Vergleich mit den Innovationszyklen
in der Industrie und im Bergbau
macht klar, dass eine grundlegende Neuentwicklung
der Automatisierungssysteme
nicht mit der gleichen Rate wie bei den Mikroprozessoren
erfolgen kann.
Um dennoch an den Fortschritten der
Prozessortechnologie partizipieren zu können,
ist eine Entkopplungsstrategie erforderlich:
Das langlebigere Automatisierungssystem
wird so zukunftssicher entwickelt, dass
der Prozessor und seine unmittelbaren peripheren
Bausteine, wie Speicher, Bustreiber
und Schnittstellenbausteine in das System
„eingebettet“ werden können. Für diese Art
von anwendungsspezifischem Produktdesign
hat sich daher auch der Begriff der „Embedded“-Technik
etabliert: Schnelllebige
Prozessorbaugruppen (Single-Board-Computer)
werden von spezialisierten OEM-Herstellern
(Original Equipment Manufacturer)
entwickelt und in die langlebigeren Automatisierungssysteme
eingebettet. Auf diese Art
lassen sich die widersprüchlichen Forderungen
nach raschem technischen Fortschritt
einerseits und Investitionssicherheit andererseits
miteinander vereinbaren.
Echtzeitfähigkeit
Die Aufgabe jedes Betriebssystems ist
es, die Ressourcen eines Rechners (d.h.
den Prozessor, den Speicher, die Laufwerke
mit den Dateien und die Ein- und Ausgabegeräte)
den Anwendungsprogrammen
(den Tasks) zugänglich zu machen und den
Zugriff zu verwalten. Können mehrere Tasks
gleichzeitig (auf einem einzigen Prozessor)
aktiv sein, muss das Betriebssystem die Zuteilung
der Rechenzeit zu den einzelnen
Tasks organisieren. Vereinfachend führt diese
Multi-tasking-Fähigkeit darauf hinaus, die
verfügbare Rechenzeit möglichst gleichmäßig
auf die Tasks aufzuteilen.
Ein ganz anderes Ziel verfolgt die Echtzeit-Fähigkeit
eines Betriebssystems: Hier
geht es darum, einer Task, die auf Ereignisse
garantiert und sofort reagieren muss,
vordringlich die Rechenzeit zuzuweisen.
Der Widerspruch zwischen Multi-Taskingbergbau
9/2007 391

Automatisierung
und Echtzeitfähigkeit ist einer der kritischsten
Punkte bei der Auswahl eines Betriebssystems.
Ein Multi-Tasking-Betriebssystem
wie Windows hat den Vorteil eines
weltweiten Standards mit einer riesigen
Auswahl darauf lauffähiger Programme, ist
aber weder echtzeitfähig noch absturzsicher.
Dezidierte Echtzeitsysteme dagegen
garantieren zwar kürzeste Reaktionszeiten,
sind aber nicht standardisiert.
In den Automatisierungssystemen von
Becker Mining Systems wurde dieser Widerspruch
durch das unabhängig vom Betriebssystem
arbeitende Echtzeitsystem
ProConOS gelöst: Echtzeitkritische Tasks,
insbesondere das Steuerungsprogramm,
erhalten mit höchster Priorität die Prozessorzeit
zugeteilt. Die verbleibende Prozessorzeit
wird an Windows und damit an die
nieder prioren Tasks abgegeben.
Die Zeit, die den Anwendungstasks zugestanden
wird (und die von der Echtzeit
ab geht), ist außerdem einstellbar. Damit
kann im Zweifelsfall die gesamte Rechenzeit
dem Steuerungsprogramm zur Verfügung
gestellt werden. Der Echtzeitkernel
von ProConOS hat einen weiteren Vorteil.
Da er unabhängig von Windows auf die
Hardware zugreift, ist er vom Betriebssystem
unabhängig. Selbst bei Absturz von
Windows („Blue Screen“) läuft die Steuerung
und der Echtzeitkernel weiter. Nur die
anderen (nicht zeitkritischen) Anwendungstasks
(also z.B. Visualisierung), die auf
Windows zugreifen, laufen nicht, bis das
Betriebssystem neu gebootet wurde.
Programmierung nach
internationalem Standard
Speicherprogrammierbare Steuerungen
sind seit den 1970er Jahren entstanden.
Im Gegensatz zur PC-Welt, wo sich
sowohl auf der Seite der Hardware als
auch auf der Seite der Software Standards
herausgebildet haben, ist die SPS-Welt
sehr heterogen und von vielen firmenspezifischen
Lösungen gekennzeichnet.
Dieses für den Anwender gravierende
Manko wurde durch eine internationale
Norm, die IEC 61131 beseitigt. Sie wurde
1993 veröffentlicht und besteht aus 5 Teilen.
Die Einzelheiten der Programmierung
werden in Teil 3 definiert. Die Norm definiert
5 Programmiersprachen: textliche Programmierung
als Instruction List (IL) oder
strukturiertem Text (ST), graphische Programmierung
in Ladder Diagramm (LD)
oder Function Block Diagramm sowie die
Ablaufprogrammierung als Sequential Function
Chart (SFC).
Die aus Anwendersicht wichtigsten Vorteile
der normgerechten Programmierung
sind die Objektorientierung sowie die Herstellerunabhängigkeit.
Die objektorientierte
Programmierung stellt das aktuelle Programmierparadigma
dar, das die Erstellung
komplexer Programme in modularer
und wieder verwendbarer Form ermöglicht.
Durch die Herstellerunabhängigkeit
wird die Einarbeitung in unterschiedliche
Programmiersprachen und -systeme vermieden.
Die einmal aufgebauten Kenntnisse
können genau so wie die erstellten Programmmodule
auf andere Systeme übertragen
werden.
MINING MASTER
Der MINING MASTER ist ein sehr leistungsfähiges
PC-basiertes schlagwettergeschütztes
Automatisierungsgerät für den
untertägigen Steinkohlebergbau. In einem
druckfesten Gehäuse befinden sich ein
Baugruppenträger mit dem Rückwandbus,
über den die unterschiedlichen Steckbaugruppen
verbunden werden, sowie ein
VGA-Display.
Im eigensicheren Gehäuse sind die Peripherieschnittstellen
zum Anschluss von
Feldbussen untergebracht. Der Gehäusedeckel
enthält als Bedienelemente eine robuste
Funktionstastatur, eine Joystick-Maus
sowie diskrete Schalter und Taster.
Die zentrale Baugruppe des MINING
MASTER bildet die CPU-Baugruppe mit einem
Pentium-Prozessor. Diese Baugruppe
enthält alle Komponenten, die für einen leistungsfähigen
PC erforderlich sind.
Die Kommunikationsbaugruppe unterstützt
bis zu 8 Feldbusse. Diese können
wahlweise als PROMOS-Ast, BETACON-
TROL-Fernbus, BETACONTROL-Feldbus,
oder als DUST-Schnittstelle konfiguriert
werden.
Über weitere Baugruppen sind 4 Profibus-Schnittstellen
realisierbar. Die Standard-Schnittstelle
des MINING MASTER
bildet Ethernet mit einer TCP/IP-Kommunikation.
Durch den Einsatz des VGA-Displays,
einer Joystick-Maus und der Funktionstastatur
stellt der MINING MASTER eine vollwertige,
interaktive PC-Bedienoberfläche
zur Verfügung.
Die Versorgung des Automatisierungsrechners
erfolgt über bis zu 3 Stromversorgungen,
davon 2 für den eigensicheren
Bereich und eine für den druckfesten Bereich.
Die unterstützten Spannungspegel sind
primärseitig 42VAC, 230VAC oder 108VDC
und sekundärseitig 12VDC und 5VDC.
MINCOS MMC
Der Leistungsumfang und die Leistungsvielfalt
des MINING MASTER werden in
kleinen und mittleren Automatisierungsaufgaben
nicht immer benötigt. Diese Anwendungsfälle
deckt der MINCOS MMC
(MINING MASTER COMPACT) ab (Bild 1).
Es ist ein IPC-basiertes kompaktes Gerät
für mittlere Automatisierungsaufgaben wie
z.B. die Steuerung von Häspeln, Bändern,
Pumpen, Weichen oder Baustoffvorortanlagen.
In einem kompakten Gehäuse von 260
x 358 x 188 mm sind alle für den Betrieb
nötigen Komponenten untergebracht. Der
obere, druckfest gekapselte Raum (d-
Raum) enthält die Stromversorgung, die
Prozessorbaugruppe, die Kommunikationsbaugruppen
und ein graphisches Display.
Die gesamte Anschlusstechnik für
die Vernetzung, den Feldbusanschluss sowie
Touchpad und Folientastatur ist im unteren,
eigensicheren Raum untergebracht
(i-Raum).
Zum Anschluss von Sensoren, Aktoren,
NF-Sprechgeräten und Sicherheitskomponenten
stehen 2 Feldbusanschlüsse zur
Verfügung. Jeder Feldbus kann entweder
als PROMOS-Ast oder als BETACON-
TROL-BTS ausgeführt sein, wodurch die
gesamte Palette der Feldgeräte von
Becker Mining Systems anschließbar ist.
Die NF-Sprechschnittstelle der Feldbusse
kann separat ausgekoppelt und mit anderen
Sprechanlagen verbunden werden.
Die an sich getrennten Sicherheitskreise
der beiden Feldbusse können für bestimmte
Aufgaben bidirektional gekoppelt werden.
Die Benutzerschnittstelle besteht aus einem
graphischen TFT-Display mit VGA-
Auflösung (640 x 480 Punkte), einer Touchpad-Maus
sowie robusten Folientasten für
Betriebsarten-, Funktions- und Navigationseingaben.
Mit dieser Hardware-Ausstattung und
den darauf aufbauenden Software-Tools
lassen sich komfortable, intuitiv verständliche
Benutzerschnittstellen für jede Anwendung
verwirklichen.
Die Vernetzung von MINCOS MMC
über größere Entfernungen wird mit Hilfe
einer LWL-Ethernet-Verbindung realisiert.
Über diese standardisierten und hoch performanten
Verbindungen können mehrere
MINCOS MMC-Geräte untereinander vernetzt,
mit anderen Steuerungssystemen
verbunden oder die Informationsanbindung
nach Übertage hergestellt werden.
Auch die Ankopplung von Fremdsystemen
ist über die beiden FSK-Profibus-Schnittstellen
kein Problem.
Die im Gerät integrierte Stromversorgung
stellt 3 eigensichere Spannungen mit
einem Pegel von 12 VDC zur Verfügung.
Eine speist die internen Komponenten von
MINCOS MMC. Die beiden anderen fernversorgen
die externen Komponenten, die
an den beiden Feldbussen angeschlossen
sind.
Einsatzerfahrungen
Zur Überprüfung der Praxistauglichkeit
der neuen Steuerung und zur Ermittlung
392 bergbau 9/2007

Automatisierung
3 Steuerung einer Bandanlage mit TT-Antrieb Grafik: Becker Mining Systems AG/DSK AG
wichtiger Kenngrößen, wie z.B. der maximalen
Leitungslängen wurde eine komplette
Anlagenkombination mit dem MIN-
COS MMC als Steuerungsrechner von den
Fachleuten des Energiezugbaus in ihrer
Werkshalle auf dem Gelände des Bergwerks
Prosper-Haniel aufgebaut und umfangreichen
Tests unterworfen. Die durchweg
positiven Erfahrungen dieser Tests
konnten dann bei 2 untertägigen Feldversuchen
angewendet und bestätigt werden.
In der Bauhöhe 202 des Bergwerks Prosper-Haniel
steuert der MINCOS MMC über
den Profibus eine Kaltwassermaschine
vom Typ KPM500. Über den Feldbus
(PROMOS-Ast) erfolgt die Sprechverbindung
zwischen Steuertafel und Maschine.
Zur Verbindung zur zentralen Steuertafel
und von dort nach über Tage dienen eine
LWL- sowie eine NF-Verbindung. Auch unter
den extremen Umgebungsbedingungen
dieses Einsatzfalles konnte der MIN-
COS MMC seine Praxistauglichkeit uneingeschränkt
unter Beweis stellen.
Ein zweiter Probeeinsatz erfolgte in der
Bauhöhe 775 des Bergwerks Walsum zur
Steuerung eines 830 m langen Kohlenabfuhrbandes.
Zum Anschluss der Feldgeräte
vom Typ PROMOS PLUS dienen 2 Feldbusse
(PROMOS-Ast). Der erste Feldbus
koppelt 4-fach-Adapter, Sprechgeräte und
Notausschalter, die Geräte des Abwurfs
und des Unterbandes an. Außerdem ist ein
Reparatursteuerstand angeschlossen. Am
zweiten Feldbus sind neben den Feldgeräten
des Oberbandes auch die Koppler für
die Bandfahrung integriert.
Die Steuerung der Schaltgeräte für den
Kopf- und den Heckantrieb erfolgt über
den Profibus. Zur Vorsicht wurde ein bewährtes
Steuergerät vom Typ MINING
MASTER installiert. Da der MINCOS MMC
aber auch hier problemlos lief, musste
nicht auf diesen MINING MASTER zurückgegriffen
werden. Aufgrund der positiven
Ergebnisse wird der MINCOS MMC nun an
7 Bändern des Bergwerks West eingesetzt.
Die Einsatzfelder sind unterschiedlich,
es kommen Bänder mit TT-Antrieben, sowie
Kopf- und Heckantrieben zum Einsatz
(Bild 3). In die Bandsteuerung für den MIN-
COS MMC sind weitere komplexe Steuerungselemente
integriert. Hierbei wird eine
Bandspanneinrichtung und ein geregeltes
Bremssystem von der MINCOS MMC-
Steuerung automatisiert. Die Feldbusperipherie
ist hierbei standardisiert das bewährte
PROMOS-Ast System. Die komplexen
Automatisierungseinrichtungen werden
mittels Profibus problemlos gelöst.
Als besondere Herausforderung ist die
Anbindung von Umrichtermotoren und externen
Frequenzumrichtern zur drehzahlgesteuerten
Bandgeschwindigkeit sowie der
Bremsbetrieb erwähnenswert. Auch hierbei
wurden alle Steuerungs- und Regelungsaufgaben
durch den Einsatz des
MINCOS MMC-Steuergerätes problemlos
erfüllt.
Um weitere Steuerungsaufgaben zu bewältigen,
wurde das Einsatzspektrum des
MINCOS MMC-Steuergerätes erweitert.
Auf dem Bergwerk Ost wird eine mit 2 redundanten
Pumpensystemen aufgebaute
Druckerhöhungsstation betrieben. Hierbei
werden Abnehmer wie Abbau- und Vorleistungsbetriebe
mit Prozesswasser in stabilen
Druckverhältnissen versorgt.
Durch den Einsatz einer neuen Walzenschrämladergeneration
bei der DSK wurde
für die erweiterte Datenanbindung durch
LWL, Profibus und Wireless LAN ein leistungsstarker
Rechner zum Datenmanagement
zwischen der Maschine und der Prozessleittechnik
übertage gesucht. Hierbei
kam der MINCOS MMC zum ersten Mal in
der Bauhöhe 513 auf dem Bergwerk Prosper-Haniel
zum Einsatz.
Er steuert dort das vorgenannte gesamte
Datenspektrum.
Für die nächste Bauhöhe 491 auf dem
Bergwerk Auguste-Victoria wird der MIN-
COS MMC, aufgrund seiner Betriebssicherheit,
erneut das Datenmanagement eines
Walzenschrämladers übernehmen.
Aufgrund der durchweg positiven Testund
Betriebserfahrungen wurde die kompakte
Bauweise des MINCOS MMC vom
zentralen Energiezugbau genutzt, um eine
Standardverteilungstafel für den Einsatz in
den Bergwerken der DSK zu projektieren
(Bild 2).
Hierdurch kann der Installationsaufwand
für die vorgesehenen Einsatzfelder minimiert
werden.
bergbau 9/2007 393