Einsatz standardisierter Steuerungssysteme im ... - RDB eV

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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
Seite 1: Automatisierung Einsatz standardisi

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