Die Zeit ist reif: Digitale Schnittstellen auf dem Vormarsch

Der Integrationsaufwand war erheblich und tiefgreifende Fach- und Programmierkenntnisse zur Implementierung erforderlich. Am Beispiel einer Punkt-zu-Punkt Verbindung und einer Vernetzung über Profibus beschreibt dieser Beitrag, wie schnell und einfach inzwischen auch für wenig rechnerversierte Anwender die Nutzung der digitale Kommunikationstechnik geworden ist.

Entwicklung der digitalen Kommunikationstechnik

Ende der 60er Jahre hatte sich das analoge Signal 0(4) ¿ 20 Milliampere als Standard in der Mess- und Automatisierungstechnik durchgesetzt. Dadurch bot sich die Möglichkeit, Geräte unterschiedlicher Hersteller auszutauschen. Fehlerhafte Sensoren konnten durch eine einfache Strommessung aufgespürt werden. Der Informationsgehalt der analogen Signale ist allerdings bescheiden. Eine Anpassung während des laufenden Betriebes ist nicht möglich.
Als logische Konsequenz dieser Grenzen folgte Mitte der 70er Jahre der Schritt, eine Vorverarbeitung von Prozessorsignalen in intelligente Geräte vor Ort zu verlagern und über eine serielle Datenübertragung zu kommunizieren.
Gegen Ende der 70er Jahre etablierten sich mehr und mehr Bussysteme zur Datenübertragung innerhalb dezentraler Anlagenstrukturen. Ein Bussystem kann wesentlich mehr Informationen mit höherer Genauigkeit übertragen. Durch die Parametrierbarkeit ist eine einfache Anpassbarkeit an veränderte Anlagenbedingungen möglich.
Mittlerweile hat sich in der Automatisierungstechnik der Profibus als offener und herstellerunabhängiger Feldbus etabliert. Durch die Standardisierung nach EN 50170 garantiert dieses Protokoll die einwandfreie Kommunikation zwischen Geräten unterschiedlicher Hersteller. Auch Siemens unterstützt als weltweit führender Anbieter von Komponenten der Automatisierungstechnik dieses Protokoll. Die in über 20 Ländern vertretene Profibus-Nutzerorganisation (PNO) sorgt für eine große Verbreitung und globalisierte Standardisierung dieser Feldbustechnologie. Umsatzmäßig konnte sie sich im Jahr 2001 mit einem Anteil von 54 Prozent (Quelle: Frost & Sullivan) deutlich vor den konkurrierenden Feldbussystemen durchsetzen. Mittlerweile wird eine Vielzahl von Profibus-Produkten aus allen Branchen angeboten.

Digitale Kommunikation über Punkt-zu-Punkt-Verbindung

Dem Einsatz der digitalen Schnittstelle zur schnellen Messwertaufnahme, beispielsweise in Forschungslabors oder an Produktionsanlagen, sehen viele Anwender mit gewisser Skepsis entgegen. Die Hardware und Software ist vorhanden, doch muss der Anwender noch selbst Hand anlegen, um an die Messdaten zu kommen. Schnittstellenprobleme sind aufgrund der mehr oder weniger standardisierten Übertragungsformates üblich. Die weitere Auswertung und Aufbereitung der Messdaten über Standardsoftware wie Excel erweist sich häufig als kompliziert oder gar nicht machbar, da firmenspezifische Formate verwendet werden. Welcher Hersteller lässt sich schon gern in die Karten schauen.
Dass die Kommunikation auf Basis standardisierter Komponenten sehr einfach lösbar ist, zeigt folgendes Beispiel: Die Pyrometer der Serie CellaTemp PZ zur berührungslosen Temperaturmessung verfügen parallel zum Analogausgang über eine digitale Schnittstelle (Bild 1). Bei Entfernungen von bis zu 5 Metern können die Geräte direkt an die RS 232 Schnittstelle des PC angeschlossen werden. Für längere Distanzen, bis zu einigen 100 Metern, werden die Pyrometer mit einer RS 485/422-Schnittstelle ausgestattet. In PC-Nähe wandelt dann ein Schnittstellenkonverter das Signal zum Anschluss an den RS 232-Eingang des PC um. Aufgrund genormter Steckverbinder beschränkt sich der Installationsaufwand auf wenige Minuten. Zur Übertragung wird das standardisierte ASCII-Format verwendet. Im einfachsten Fall erfolgt die Datenübertragung und Parametrierung über das zum Windows gehörige Terminalemulationsprogramm ¿Hyper Termial¿. Die Messdaten können anschließend mit Standardprogrammen wie Excel analysiert und aufbereitet werden.
Noch einfacher werden die Bedienung, die Online-Darstellung der Messwerte, die Schnellanalyse und die automatischen Archivierung mit einer spezialisierten Software (Bild 2). Inklusive Installation der Software benötigt selbst ein messtechnisch wenig versierter Anwender kaum mehr als 15 Minuten für die komplette Inbetriebnahme. Dies entspricht sicherlich nur einem Bruchteil der Zeit und des Aufwandes, der erforderlich ist, um Daten mit einem zentralen Datenerfassungssystem oder einem aufzeichnenden Schreiber zur kurzfristigen Analyse aufzunehmen.
Pyrometer mit digitalen Schnittstellen setzen Forschungs- und Entwicklungsbereiche häufig zur Analyse neuer Fertigungsverfahren, beispielsweise bei der Plasmabeschichtung, der Erzeugung von Supraleitern oder der Produktion von Halbleiterwafern ein. Hier sind umfangreiche messtechnische Untersuchungen erforderlich, so das die einfache Verfügbarkeit und Auswertbarkeit der digitalen Messwerte große Vorteile bietet. Auch bei Optimierung induktiv arbeitender Erwärmungsanlagen zum Beispiel zur Produktion von Glühkerzen oder Verbrennungsanlagen werden die Pyrometer zu Testzwecken über die digitale Schnittstelle aufgrund des minimalen Installationsaufwandes an einen PC angeschlossen. In Abhängigkeit der Messresultate wird dann entschieden, ob eine Festinstallation erforderlich ist.

Vernetzung der Pyrometer über Profibus
Ein weltweites Novum sind die auf Bild 3 gezeigten Pyrometer mit integrierter Profibus DP (dezentrale Peripherie) Schnittstelle an. Dabei unterstützen die Pyrometer alle Möglichkeiten des Profibus wie einfache Handhabung, leistungsfähige Diagnosemöglichkeit, Offenheit des Systems und einfache Inbetriebnahme. Die objektorientierte Programmierung der Steuerungssoftware macht das Einbinden von Profibus-Geräten in Prozessleitsysteme denkbar einfach. So sind nur drei Arbeitsschritte notwendig, um das Pyrometer via Profibus an ein Simatic S7-Mastersystem anzubinden:

l Installieren der Stammdaten-Datei Die Geräte werden mit einer Stammdaten-Datei (GSD-Datei) ausgeliefert, in der die Kommunikationsparameter eines Profibusgerätes festgelegt sind. Über die Programmiersoftware Step 7 der Simatic wird die GSD-Datei in dieProgrammumgebung eingebunden und das Gerät im ¿Hardware Katalog¿ der Programmiersoftware aufgenommen.

l Anbinden des Pyrometers an die CPU Eine S7-CPU wird als DP-Master in Step 7 platziert. Die Software generiert automatisch eine Linie, die das Mastersystem repräsentiert. An das Ende der Linie ist per Drag&Drop das Symbol des Pyrometers zu platzieren. Daraufhin erscheint ein Dialogfenster zur Eingabe der am Pyrometer per Schalter eingestellten Profibus-Adresse.

l Einbinden von Funktionsmodulen Messwerte und Einstellparameter des Pyrometers werden in der Programmiersoftware als Funktionsmodule abgelegt. Per Drag&Drop zieht der Anwender die gewünschten Module in die Konfigurationstabelle (Bild 4). Das Mastersystem schlägt die Adressen für Ein- und Ausgangsbereiche des jeweiligen Moduls vor. Diese sind innerhalb der Systemgrenzen anpassbar. Die in der Konfigurationstabelle aufgeführten Module werden über den Profibus zwischen Pyrometer und Mastersystem ausgetauscht. Als Messmodule sind für das Pyrometer die Geräteinnentemperatur, die Spektral- und Quotiententemperaturen, Extremwerttemperaturen und Signalstärke verfügbar. Die Parametermodule umfassen die Emissionsgradeinstellung, Mittelungszeitkonstanten, Zykluszeiten der Extremwertspeicher und Abschaltpunkte der Quotientenbildung.

Technologie für viele Branchen
Pyrometer mit Profibus lassen sich in sehr unterschiedlichen Anwendungen und Branchen sinnvoll einsetzen, beispielsweise im Anlagenbau der Stahl- und Glasindustrie sowie im Ofenbau. Die unterschiedlichen Sensoren in der Prozesssteuerung einer Walzstraße lassen sich über den gemeinsamen Bus einfach integrieren. Der Aufwand für eine Anpassung der Geräteparameter während der Inbetriebnahme der Anlage oder eine Nachrüstung von Sensoren ist mit nur minimalem Aufwand verbunden. In Kristallzüchtungsanlagen und Temperöfen werden Pyrometer mit Profibus eingesetzt, um an bis zu fünf Messstellen die Temperatur des Ofeninnenraumes zu erfassen und über die SPS sehr genau zu regeln.
Zeit gespart, Betriebssicherheit verbessert
Das Beispiel zeigt, dass Sensoren ¿ in diesem Falle Pyrometer ¿ mit Profibus-Anschluss den Anwendern erhebliche Vorteile bieten. Wenn es sich um vorläufige Testinstallationen handelt, reduziert sich der Aufwand für die Inbetriebnahme und die Sammlung der Messwerte sowie deren Integration in übergeordnete Systeme ganz erheblich. Auch bei dauerhafter Installation des Pyrometers verkürzt sich die Inbetriebnahmezeit. Zugleich profitiert der Anwender von einer höheren Betriebssicherheit, da der Datenbus viele Diagnose- und Überwachungsmöglichkeiten bietet.

Autor:
Albert Book Dipl.-Ing., Keller HCW, Ibbenbüren, Tel. 05451/850, Fax 85412, http://www.keller-msr.de

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