Einsatz standardisierter Steuerungssysteme im ... - RDB eV

AutomatisierungEinsatz standardisierter Steuerungssystemeim automatisierten SteinkohlebergbauDr.-Ing. habil. Franz Becker, Friedrichsthal; Prof. Dr. Walter Jakoby, Trier;Ing. Karlheinz Soyke, Bottrop*Die Weiterentwicklung industriellerProduktionsprozesse erfordertkontinuierliche Innovationen. Siedienen zur Verbesserung derWirtschaftlichkeit und zurErhöhung der Sicherheit. Innovationenerfolgen durch die Weiterentwicklungder eingesetztenMaschinen („größer, stärker,schneller“), durch die Automatisierungdes Maschinenbetriebs mitHilfe von Rechnern und durchVernetzung der Rechner für einenlückenlosen und durchgängigenInformationsaustausch.Sowohl auf der Seite der Produktionsprozesseals auch auf derSeite der Automatisierungsgeräteist der Grad der Vernetzung undder Komplexität bereits auf einenormes Niveau angewachsen.An alle Beteiligten – Hersteller,Entwickler, Konstrukteure, Betreiberund Bediener – stellt daserreichte Komplexitätsniveauhohe Anforderungen. Es gibtverschiedene Methoden, umdiese Anforderungen trotz eineslimitierten Zeitbudgets erfüllen zukönnen.Die beiden wirksamsten Methodensind Standardisierung und Modularisierungzur Schaffung von wiederverwendbaren Modulen. DerStandardisierungsansatz kann dabeiin allen Phasen des Produkt-Lebenszyklus und vonallen Beteiligten verfolgt werden.Standardisierung gibt es beimHersteller hoch integrierterelektronischer Bauteile, beimEntwickler von Automatisierungsbaugruppenund -geräten, beim*Dr.-Ing. habil. Franz Becker, Becker Mining SystemsAG, Barbarastraße 3, 66299 Friedrichsthal,Prof. Dr. Walter Jakoby, Fachhochschule Trier,Schneidershof, 54293 Trier, Ing. Karlheinz Soyke,Deutsche Steinkohle AG, Prosperstraße 350,46238 BottropAufbau vonKommunikationsschnittstellen,beim Entwurfvon Benutzer-Interfacesund auchbei der ProjektierungvonAutomatisierungslösungen.Die beispielhafteUmsetzung des Standardisierungsansatzesund der Nutzenfür den Anwender sollenin diesem Aufsatzam Beispiel derIPC-Technik im automatisiertenSteinkohlebergbaudemonstriertwerden.Mit den SteuergerätenMINCOS MMCund MINING MASTER(Bild 1) hat die BeckerMining Systems AGbekannte HardwareundSoftware-Standardsfür den Einsatzim Steinkohlebergbauunter Tage verfügbar gemacht. Unter Verwendungdes MINCOS MMC wurde darausvon der Abteilung „Zentraler Energiezugbau“(BTW-WE/R) des ServicebereichsTechnik und Logistik der DeutscheSteinkohle AG (DSK) eine standardisiertezentrale Steuertafel (Bild 2) für verschiedeneAnwendungsaufgaben konstruiert.Nach umfangreichen übertägigen Testsund 2 untertägigen Feldversuchen ist dasSystem nun in den regulären Serieneinsatzgegangen.Anforderungen des Bergbausan AutomatisierungssystemeDer Einsatz von Werkzeugen, Methodenund Geräten in einem industriellenProduktionsprozess ist nie Selbstzweck,sondern verfolgt auf verschiedenen Wegengrundsätzlich immer die gleichen Ziele:die Erhöhung der Wirtschaftlichkeit und1 Kompaktes Automatisierungsgerät MINCOS MMCGrafik: Becker Mining Systems AG/DSK AGder Sicherheit. Am Anfang eines gelungenenAutomatisierungsvorhabens sollte daherimmer der zu automatisierende Prozessstehen.Ein Bergwerk ist ein Produktionsbetriebmit einer Vielzahl unterschiedlicher, vernetzterMaschinen, Anlagen und Einrichtungen.Die Einrichtungen sind dabei übereinen großen, viele Kilometer umfassendenräumlichen Bereich verteilt und dennochin beengten räumlichen Verhältnissenuntergebracht, in denen sich zudemauch Menschen regelmäßig aufhalten. DerBetrieb eines Steinkohlebergwerks ist daherdurch sehr restriktive Rahmenbedingungengekennzeichnet. Hier ist vor allemdie explosionsgefährdete Umgebung zunennen. Aber auch hohe oder niedrigeTemperaturen, hohe Luftfeuchtigkeit undder Staub stellen große Belastungen dar.Der Betrieb elektrischer Einrichtungen ineiner derartigen Atmosphäre schließt die390 bergbau 9/2007

Automatisierung2 Standardisierte Steuertafel mit MINCOS MMCGrafik: Becker Mining Systems AG/DSK AGVerwendung industrieüblicher Technik aus.Die besonders rauen Umgebungsanforderungenkönnen nur durch sehr robusteBauformen erfüllt werden.Die beengten Platzverhältnisse unterTage führen zu einem unmittelbaren Zusammenwirkenvon Mensch und Maschine,was hohe Sicherheitsanforderungennach sich zieht. Stillsetz- und Sperreinrichtungensind daher obligatorische Bestandteilevon Maschinen.Die großen Entfernungen in Kombinationmit schlechter Zugänglichkeit fordernumfangreiche Kommunikationskanäle sowohlfür den Menschen als auch für dieSteuerungsrechner. Die ständig wechselndenräumlichen Gegebenheiten, machenden Einsatz flexibel konfigurierbarer Systemeerforderlich.Das skizzierte Anforderungsprofil desBergbaus basiert zum Teil auf den europäischenRichtlinien, wie z.B. ATEX-Richtlinie, Maschinenrichtlinie, EMV-Richtlinie und Niederspannungsrichtlinie,um nur die wichtigsten zu nennen, gehtaber an vielen Punkten durch spezielleVerordnungen, Richtlinien und Normenweit über die EU-Richtlinien hinaus.Innovationsschritte beiAutomatisierungssystemenDie in den zurück liegenden Jahrzehntenstetig gestiegenen Anforderungen an Automatisierungssysteme,bei denen eine Verlangsamungbislang nicht erkennbar ist,wurden auf der Seite der Hersteller durchvielfältige Forschungs- und Entwicklungsvorhabenangepackt und in Form konkreterInnovationsschritte bewältigt. Die detaillierteAufzählung dieser Schritte ist an dieserStelle nicht erforderlich.Sicherlich die bedeutendste Innovationist die Erfindung und Entwicklung hoch integriertermikroelektronischer Halbleiterbauelemente.Egal ob als Prozessoren,Speicher oder sonstige Bausteine bildensie den Kern nicht nur von Rechnern, sondernaller elektronischen Geräte unsererZeit. Bei weitem nicht die einzige, aber sichereine der anschaulichsten Kennzahlenfür diese Entwicklung ist die Zahl der Transistorenpro Chip. Diese Zahl verzehnfachtsich alle 10 Jahre. So hat sich die Zahl derTransistoren von 2300 beim ersten Mikroprozessorder Welt (Intel 4004 im Jahre1971) auf derzeit etwa 400 Mio. erhöht.IPC-TechnikDie PC-Technik hat zunächst ab 1980den Bürobereich und dann ab 1990 als Industrie-PC(IPC) auch den Industriebereichals Standardrechner erobert. Trotzvielfältiger Erscheinungsformen der Rechner,gibt es einige wesentlichen Gemeinsamkeiten,die das Wesen eines PC ausmachen.Es sind dies Standards bei der Hardwareund der Software, die eine Portierungund Mehrfachnutzung von einmal entwickeltenKomponenten ermöglichen unddamit den beträchtlichen Entwicklungsaufwandauf eine genügend große Stückzahlverteilen.Als Standards bei der PC-Hardwaresind zu nennen: die Prozessorarchitektur,die rechnerinternen Lokalbusse (PCI),standardisierte Schnittstellen für den Anschlussvon Geräten (USB, Firewire, EI-DE) sowie durchgängige externe Bussysteme(Ethernet). Bei der PC-Software existierenStandards beim Betriebssystem, beiden Anwendungsprogrammen, bei denProgrammiersystemen und den Kommunikationsprotokollen.Die Schaltungskomplexität der Mikroprozessorenentwickelt sich seit vielenJahren mit exponentieller Geschwindigkeit,die nach dem Intel-Begründer als„Moore’s Law“ bekannt ist: die Anzahl derTransistoren, die auf einem Baustein integriertwerden können, und damit auch dieLeistungsfähigkeit des Bausteins verdoppeltsich in einem Zeitraum von 18 bis 24Monaten. Der Vergleich mit den Innovationszyklenin der Industrie und im Bergbaumacht klar, dass eine grundlegende Neuentwicklungder Automatisierungssystemenicht mit der gleichen Rate wie bei den Mikroprozessorenerfolgen kann.Um dennoch an den Fortschritten derProzessortechnologie partizipieren zu können,ist eine Entkopplungsstrategie erforderlich:Das langlebigere Automatisierungssystemwird so zukunftssicher entwickelt, dassder Prozessor und seine unmittelbaren peripherenBausteine, wie Speicher, Bustreiberund Schnittstellenbausteine in das System„eingebettet“ werden können. Für diese Artvon anwendungsspezifischem Produktdesignhat sich daher auch der Begriff der „Embedded“-Techniketabliert: SchnelllebigeProzessorbaugruppen (Single-Board-Computer)werden von spezialisierten OEM-Herstellern(Original Equipment Manufacturer)entwickelt und in die langlebigeren Automatisierungssystemeeingebettet. Auf diese Artlassen sich die widersprüchlichen Forderungennach raschem technischen Fortschritteinerseits und Investitionssicherheit andererseitsmiteinander vereinbaren.EchtzeitfähigkeitDie Aufgabe jedes Betriebssystems istes, die Ressourcen eines Rechners (d.h.den Prozessor, den Speicher, die Laufwerkemit den Dateien und die Ein- und Ausgabegeräte)den Anwendungsprogrammen(den Tasks) zugänglich zu machen und denZugriff zu verwalten. Können mehrere Tasksgleichzeitig (auf einem einzigen Prozessor)aktiv sein, muss das Betriebssystem die Zuteilungder Rechenzeit zu den einzelnenTasks organisieren. Vereinfachend führt dieseMulti-tasking-Fähigkeit darauf hinaus, dieverfügbare Rechenzeit möglichst gleichmäßigauf die Tasks aufzuteilen.Ein ganz anderes Ziel verfolgt die Echtzeit-Fähigkeiteines Betriebssystems: Hiergeht es darum, einer Task, die auf Ereignissegarantiert und sofort reagieren muss,vordringlich die Rechenzeit zuzuweisen.Der Widerspruch zwischen Multi-Taskingbergbau9/2007 391

Automatisierungund Echtzeitfähigkeit ist einer der kritischstenPunkte bei der Auswahl eines Betriebssystems.Ein Multi-Tasking-Betriebssystemwie Windows hat den Vorteil einesweltweiten Standards mit einer riesigenAuswahl darauf lauffähiger Programme, istaber weder echtzeitfähig noch absturzsicher.Dezidierte Echtzeitsysteme dagegengarantieren zwar kürzeste Reaktionszeiten,sind aber nicht standardisiert.In den Automatisierungssystemen vonBecker Mining Systems wurde dieser Widerspruchdurch das unabhängig vom Betriebssystemarbeitende EchtzeitsystemProConOS gelöst: Echtzeitkritische Tasks,insbesondere das Steuerungsprogramm,erhalten mit höchster Priorität die Prozessorzeitzugeteilt. Die verbleibende Prozessorzeitwird an Windows und damit an dienieder prioren Tasks abgegeben.Die Zeit, die den Anwendungstasks zugestandenwird (und die von der Echtzeitab geht), ist außerdem einstellbar. Damitkann im Zweifelsfall die gesamte Rechenzeitdem Steuerungsprogramm zur Verfügunggestellt werden. Der Echtzeitkernelvon ProConOS hat einen weiteren Vorteil.Da er unabhängig von Windows auf dieHardware zugreift, ist er vom Betriebssystemunabhängig. Selbst bei Absturz vonWindows („Blue Screen“) läuft die Steuerungund der Echtzeitkernel weiter. Nur dieanderen (nicht zeitkritischen) Anwendungstasks(also z.B. Visualisierung), die aufWindows zugreifen, laufen nicht, bis dasBetriebssystem neu gebootet wurde.Programmierung nachinternationalem StandardSpeicherprogrammierbare Steuerungensind seit den 1970er Jahren entstanden.Im Gegensatz zur PC-Welt, wo sichsowohl auf der Seite der Hardware alsauch auf der Seite der Software Standardsherausgebildet haben, ist die SPS-Weltsehr heterogen und von vielen firmenspezifischenLösungen gekennzeichnet.Dieses für den Anwender gravierendeManko wurde durch eine internationaleNorm, die IEC 61131 beseitigt. Sie wurde1993 veröffentlicht und besteht aus 5 Teilen.Die Einzelheiten der Programmierungwerden in Teil 3 definiert. Die Norm definiert5 Programmiersprachen: textliche Programmierungals Instruction List (IL) oderstrukturiertem Text (ST), graphische Programmierungin Ladder Diagramm (LD)oder Function Block Diagramm sowie dieAblaufprogrammierung als Sequential FunctionChart (SFC).Die aus Anwendersicht wichtigsten Vorteileder normgerechten Programmierungsind die Objektorientierung sowie die Herstellerunabhängigkeit.Die objektorientierteProgrammierung stellt das aktuelle Programmierparadigmadar, das die Erstellungkomplexer Programme in modularerund wieder verwendbarer Form ermöglicht.Durch die Herstellerunabhängigkeitwird die Einarbeitung in unterschiedlicheProgrammiersprachen und -systeme vermieden.Die einmal aufgebauten Kenntnissekönnen genau so wie die erstellten Programmmoduleauf andere Systeme übertragenwerden.MINING MASTERDer MINING MASTER ist ein sehr leistungsfähigesPC-basiertes schlagwettergeschütztesAutomatisierungsgerät für denuntertägigen Steinkohlebergbau. In einemdruckfesten Gehäuse befinden sich einBaugruppenträger mit dem Rückwandbus,über den die unterschiedlichen Steckbaugruppenverbunden werden, sowie einVGA-Display.Im eigensicheren Gehäuse sind die Peripherieschnittstellenzum Anschluss vonFeldbussen untergebracht. Der Gehäusedeckelenthält als Bedienelemente eine robusteFunktionstastatur, eine Joystick-Maussowie diskrete Schalter und Taster.Die zentrale Baugruppe des MININGMASTER bildet die CPU-Baugruppe mit einemPentium-Prozessor. Diese Baugruppeenthält alle Komponenten, die für einen leistungsfähigenPC erforderlich sind.Die Kommunikationsbaugruppe unterstütztbis zu 8 Feldbusse. Diese könnenwahlweise als PROMOS-Ast, BETACON-TROL-Fernbus, BETACONTROL-Feldbus,oder als DUST-Schnittstelle konfiguriertwerden.Über weitere Baugruppen sind 4 Profibus-Schnittstellenrealisierbar. Die Standard-Schnittstelledes MINING MASTERbildet Ethernet mit einer TCP/IP-Kommunikation.Durch den Einsatz des VGA-Displays,einer Joystick-Maus und der Funktionstastaturstellt der MINING MASTER eine vollwertige,interaktive PC-Bedienoberflächezur Verfügung.Die Versorgung des Automatisierungsrechnerserfolgt über bis zu 3 Stromversorgungen,davon 2 für den eigensicherenBereich und eine für den druckfesten Bereich.Die unterstützten Spannungspegel sindprimärseitig 42VAC, 230VAC oder 108VDCund sekundärseitig 12VDC und 5VDC.MINCOS MMCDer Leistungsumfang und die Leistungsvielfaltdes MINING MASTER werden inkleinen und mittleren Automatisierungsaufgabennicht immer benötigt. Diese Anwendungsfälledeckt der MINCOS MMC(MINING MASTER COMPACT) ab (Bild 1).Es ist ein IPC-basiertes kompaktes Gerätfür mittlere Automatisierungsaufgaben wiez.B. die Steuerung von Häspeln, Bändern,Pumpen, Weichen oder Baustoffvorortanlagen.In einem kompakten Gehäuse von 260x 358 x 188 mm sind alle für den Betriebnötigen Komponenten untergebracht. Derobere, druckfest gekapselte Raum (d-Raum) enthält die Stromversorgung, dieProzessorbaugruppe, die Kommunikationsbaugruppenund ein graphisches Display.Die gesamte Anschlusstechnik fürdie Vernetzung, den Feldbusanschluss sowieTouchpad und Folientastatur ist im unteren,eigensicheren Raum untergebracht(i-Raum).Zum Anschluss von Sensoren, Aktoren,NF-Sprechgeräten und Sicherheitskomponentenstehen 2 Feldbusanschlüsse zurVerfügung. Jeder Feldbus kann entwederals PROMOS-Ast oder als BETACON-TROL-BTS ausgeführt sein, wodurch diegesamte Palette der Feldgeräte vonBecker Mining Systems anschließbar ist.Die NF-Sprechschnittstelle der Feldbussekann separat ausgekoppelt und mit anderenSprechanlagen verbunden werden.Die an sich getrennten Sicherheitskreiseder beiden Feldbusse können für bestimmteAufgaben bidirektional gekoppelt werden.Die Benutzerschnittstelle besteht aus einemgraphischen TFT-Display mit VGA-Auflösung (640 x 480 Punkte), einer Touchpad-Maussowie robusten Folientasten fürBetriebsarten-, Funktions- und Navigationseingaben.Mit dieser Hardware-Ausstattung undden darauf aufbauenden Software-Toolslassen sich komfortable, intuitiv verständlicheBenutzerschnittstellen für jede Anwendungverwirklichen.Die Vernetzung von MINCOS MMCüber größere Entfernungen wird mit Hilfeeiner LWL-Ethernet-Verbindung realisiert.Über diese standardisierten und hoch performantenVerbindungen können mehrereMINCOS MMC-Geräte untereinander vernetzt,mit anderen Steuerungssystemenverbunden oder die Informationsanbindungnach Übertage hergestellt werden.Auch die Ankopplung von Fremdsystemenist über die beiden FSK-Profibus-Schnittstellenkein Problem.Die im Gerät integrierte Stromversorgungstellt 3 eigensichere Spannungen miteinem Pegel von 12 VDC zur Verfügung.Eine speist die internen Komponenten vonMINCOS MMC. Die beiden anderen fernversorgendie externen Komponenten, diean den beiden Feldbussen angeschlossensind.EinsatzerfahrungenZur Überprüfung der Praxistauglichkeitder neuen Steuerung und zur Ermittlung392 bergbau 9/2007

Automatisierung3 Steuerung einer Bandanlage mit TT-Antrieb Grafik: Becker Mining Systems AG/DSK AGwichtiger Kenngrößen, wie z.B. der maximalenLeitungslängen wurde eine kompletteAnlagenkombination mit dem MIN-COS MMC als Steuerungsrechner von denFachleuten des Energiezugbaus in ihrerWerkshalle auf dem Gelände des BergwerksProsper-Haniel aufgebaut und umfangreichenTests unterworfen. Die durchwegpositiven Erfahrungen dieser Testskonnten dann bei 2 untertägigen Feldversuchenangewendet und bestätigt werden.In der Bauhöhe 202 des Bergwerks Prosper-Hanielsteuert der MINCOS MMC überden Profibus eine Kaltwassermaschinevom Typ KPM500. Über den Feldbus(PROMOS-Ast) erfolgt die Sprechverbindungzwischen Steuertafel und Maschine.Zur Verbindung zur zentralen Steuertafelund von dort nach über Tage dienen eineLWL- sowie eine NF-Verbindung. Auch unterden extremen Umgebungsbedingungendieses Einsatzfalles konnte der MIN-COS MMC seine Praxistauglichkeit uneingeschränktunter Beweis stellen.Ein zweiter Probeeinsatz erfolgte in derBauhöhe 775 des Bergwerks Walsum zurSteuerung eines 830 m langen Kohlenabfuhrbandes.Zum Anschluss der Feldgerätevom Typ PROMOS PLUS dienen 2 Feldbusse(PROMOS-Ast). Der erste Feldbuskoppelt 4-fach-Adapter, Sprechgeräte undNotausschalter, die Geräte des Abwurfsund des Unterbandes an. Außerdem ist einReparatursteuerstand angeschlossen. Amzweiten Feldbus sind neben den Feldgerätendes Oberbandes auch die Koppler fürdie Bandfahrung integriert.Die Steuerung der Schaltgeräte für denKopf- und den Heckantrieb erfolgt überden Profibus. Zur Vorsicht wurde ein bewährtesSteuergerät vom Typ MININGMASTER installiert. Da der MINCOS MMCaber auch hier problemlos lief, musstenicht auf diesen MINING MASTER zurückgegriffenwerden. Aufgrund der positivenErgebnisse wird der MINCOS MMC nun an7 Bändern des Bergwerks West eingesetzt.Die Einsatzfelder sind unterschiedlich,es kommen Bänder mit TT-Antrieben, sowieKopf- und Heckantrieben zum Einsatz(Bild 3). In die Bandsteuerung für den MIN-COS MMC sind weitere komplexe Steuerungselementeintegriert. Hierbei wird eineBandspanneinrichtung und ein geregeltesBremssystem von der MINCOS MMC-Steuerung automatisiert. Die Feldbusperipherieist hierbei standardisiert das bewährtePROMOS-Ast System. Die komplexenAutomatisierungseinrichtungen werdenmittels Profibus problemlos gelöst.Als besondere Herausforderung ist dieAnbindung von Umrichtermotoren und externenFrequenzumrichtern zur drehzahlgesteuertenBandgeschwindigkeit sowie derBremsbetrieb erwähnenswert. Auch hierbeiwurden alle Steuerungs- und Regelungsaufgabendurch den Einsatz desMINCOS MMC-Steuergerätes problemloserfüllt.Um weitere Steuerungsaufgaben zu bewältigen,wurde das Einsatzspektrum desMINCOS MMC-Steuergerätes erweitert.Auf dem Bergwerk Ost wird eine mit 2 redundantenPumpensystemen aufgebauteDruckerhöhungsstation betrieben. Hierbeiwerden Abnehmer wie Abbau- und Vorleistungsbetriebemit Prozesswasser in stabilenDruckverhältnissen versorgt.Durch den Einsatz einer neuen Walzenschrämladergenerationbei der DSK wurdefür die erweiterte Datenanbindung durchLWL, Profibus und Wireless LAN ein leistungsstarkerRechner zum Datenmanagementzwischen der Maschine und der Prozessleittechnikübertage gesucht. Hierbeikam der MINCOS MMC zum ersten Mal inder Bauhöhe 513 auf dem Bergwerk Prosper-Hanielzum Einsatz.Er steuert dort das vorgenannte gesamteDatenspektrum.Für die nächste Bauhöhe 491 auf demBergwerk Auguste-Victoria wird der MIN-COS MMC, aufgrund seiner Betriebssicherheit,erneut das Datenmanagement einesWalzenschrämladers übernehmen.Aufgrund der durchweg positiven TestundBetriebserfahrungen wurde die kompakteBauweise des MINCOS MMC vomzentralen Energiezugbau genutzt, um eineStandardverteilungstafel für den Einsatz inden Bergwerken der DSK zu projektieren(Bild 2).Hierdurch kann der Installationsaufwandfür die vorgesehenen Einsatzfelder minimiertwerden.bergbau 9/2007 393