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SPS contra Prozeßleitsystem

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In der Prozeßautomatisierung ist die Zukunft der Prozeßleitsysteme eines der kontrovers diskutierten Diskussionsthemen. Natürlich haben Leitsysteme eine Zukunft, aber in welcher Form? Als perfektionierte Weiterentwicklung der „klassischen“ Leitsysteme, oder als SPS-Systeme mit PC und preisgünstiger Standard-Software?

Der Autor Rüdiger Okrongli ist Betriebsingenieur für Elektromeß- und Regeltechnik bei der Knoll AG in Minden

PNK – Prozeßnahe Komponenten
Die Grenze der Datenpunkte wird in den nächsten Jahren rapide ansteigen, denn die sogenannten „Prozeßnahen Komponenten (PNK)“ werden durch SPS oder Geräte auf Feldbusbasis ersetzt werden. Kostendruck zwingt dazu. Und SPS bzw. Feldbusgeräte sind einfach aufgrund ihrer höheren Stückzahlen gegen-über den speziellen PNKs der PLS-Anbieter im Vorteil. Gleiches gilt für die „ABK“, die Anzeige und Bedienkomponenten. Diese werden immer mehr durch Standard MMI-Software ersetzt werden allenfalls mit Erweiterungen und Zusätzen, die für den jeweiligen Prozeß optimiert werden. Und letztlich: Auch die Archivierung wird sich in Richtung gängiger Datenbanken bewegen und deren Auswertung durch PC-Programme erfolgen.
SPS und PLS im Praxisvergleich
Das Werk Minden der Knoll AG, ein bedeutender Produktionsstandort von BASF Pharma für Pharmasubstanzen und Zwischenprodukte, ist weltweit der größte Hersteller von Coffein sowie Ephedrin und Pseudoephedrin. Dieses ist nicht zuletzt ein Ergebnis ständiger Überprüfung von Kosten und Leistungen.
Bei der Knoll AG, Werk Minden, stellte sich eine Situation, die in ihrer Art durchaus für verfahrenstechnische Anlagen typisch ist: Die verfahrenstechnischen Anlagen zur Herstellung von Purinen sollten um einen weiteren „Bau“ für die Ephedrinherstellung erweitert werden. Aber mit welcher Automatisierung?
n Pro SPS: Die Steuerungen vorhandener Anlagenteile datierten aus dem Jahr 1982 und waren seinerzeit mit SPS vom Typ Modicon 584 aufgebaut und in „Ladder-Logic“ programmiert. Trotz zahlreicher Anlagenerweiterungen funktionierten sie beispielhaft zuverlässig.
n Pro PLS: Moderne, „kleine“ Prozeßleitsysteme zeigten im Vergleich zu alten SPS-Lösungsansätzen deutliche Vorteile durch Programmierung in Funktionsplan und im Bereich der Dokumentationsmöglichkeiten. Allerdings zu deutlich höheren Kosten und mit dem Nachteil einer „Insellösung“ für den Anbau. Der Vergleich zwischen SPS und PLS ging über drei Runden. Ein Preisvergleich bestätigte deutlich die bessere Kostensituation der SPS-Lösung. Im anschließenden Beta-Test mußte die Konfiguration aus Quantum-SPS von Schneider Automation und zugehöriger IEC 1131 – Software namens Concept die Erfüllung der Anforderungen an Funktionsplan-Programmierung und Dokumentation unter Beweis stellen. In der letzten Runde wurde zu Testzwecken eine bestehende, kleine Abwasseranlage umgerüstet. Alle Ergebnisse waren eindeutig: Das Gespann aus Modicon TSX Quantum und Concept erfüllte alle Anforderungen bei Kostenvorteilen um 50 bis 60%. Und ein weiterer Vorteil bei der Erweiterung oder Umrüstung vorhandener Anlagen: Die existierende E/A-Peripherie kann weiter genutzt werden!
Werkstandards entwickeln
Erfahrungen aus dem Beta-Test und dem Umbau der Abwasseranlage prägten die weitere Arbeitsweise. Im ersten Schritt ermittelte ein Team aus SPS-Spezialisten die notwendigen Einzelsteuerfunktionen für Regler, Ventile, Motoren etc. und legte diese Programmbausteine werkseinheitlich fest. Danach wurden die Einzelsteuerfunktionen aus den elementaren Bausteinen entwickelt. Concept bietet für diese Arbeitsweise den „DFB-Editor“, mit dem abgeleitete Funktionsbausteine (Derived Function Blocks) kundenspezifisch erstellt werden. DFB vereinfachen und strukturieren die Applikation, denn einmal entwickelt und geprüft können sie beliebig oft wiederverwendet und sogar ineinander verschachtelt werden.
Die DFB werden nun aus verschiedenen Betriebsarten der Anlage angesteuert:
– aus Schrittketten (Ablaufsteuerung)
– von Tastern vor Ort
– von Bedien-PCs vor Ort
Im zweiten Schritt wurden pa-rallel zu den DFB für die Anlagensteuerung die entsprechenden Einblendbilder für das Visualisierungssystem entwickelt. In ihrer Gesamtheit bilden sie die Bedienoberfläche für den Anlagenfahrer und gestatten das direkte Einwirken des Bedienpersonals auf die Einzelsteuerfunktionen der SPS. Ein weiteres Werkzeug visualisiert Struktur, Transitionen und Aktionen der unter Concept programmierten Ablaufsteuerung und ermöglicht Eingriffe in die Schrittketten.
Nagelprobe Anlagenumbau
An einer Hydrieranlage mußte das Konzept seine Tauglichkeit beweisen. Die Steuerung umfaßte rund 1 800 E/A-Punkte und datierte aus dem Jahr 1982. Programmiert waren mehrere Schrittketten, geschrieben in Ladder-Logic (!).
Messungen und Regelungen waren autark aufgebaut, und Grenzwertverletzungen und Regelparameter wurden zwischen Hardwarekomponenten, wie z.B. Reglern, und der E/A-Ebene der SPS ausgetauscht.
Die gesamte Produktionsanlage wurde aus einer Meßwarte mit einem 5m breiten Mosaikbild gefahren. Aufgrund der begrenzten Anzahl der Meldungen hatte der Anlagenfahrer bei Betriebsstörungen keine Einsicht in die Schrittketten. Beim Umbau wurden die Steuerungen ausgetauscht und die bewährte, Kettenstrukturen mit der Ablaufsprache SFC (Sequential Function Chart), unter Concept realisiert. Dadurch wurden die Transitionen und Aktionen für die Visualisierung verfügbar. Der Anlagenfahrer kann nun fehlende Bedingungen im Ablauf erkennen, und über Tipp-Funktionen weiter schalten. Zur Visualisierung dienen fünf Bedien-PCs, die über NOM-Baugruppen in der Quantum – SPS zu einem autarken Modbus Plus-Netzwerk gekoppelt sind. Die gleichen Quantum -Steuerungen bilden auch die Brücke zu einen weiteren Modbus Plus – Netzwerk, welches über Lichtwellenleiter alle Steuerungen untereinander verbindet und zum Konfigurieren der Anlage dient.
Meßbarer Erfolg
Nach dem Umbau benötigt die Hydrieranlage nur noch 400 binäre Ausgänge, 300 binäre Eingänge, 20 analoge Ausgänge und 70 analoge Eingänge, da Bedien- und Anzeigeelemente wegfallen konnten.
Prozeßleit-systeme PLS und Kosten
Unbestritten ist die volle Integration und Durchgängigkeit aller Komponenten ein Hauptvorteil der Prozeßleitsysteme, gleichzeitig aber auch der Grund für deren Nachteile: Hohe Kosten und wenig Offenheit. Gerade bei vergleichsweise kleinen Aufgaben schneiden SPS-Systeme bei den Kosten deutlich günstiger ab. Was nun, wenn die Durchgängigkeit der SPS zunimmt, und gleichzeitig auch das Argument der Offenheit zunehmend an Gewicht gewinnt? Die Antwort ist einfach: Wer heute bei Anlagen von ca. 2.000 bis 4.000 Datenpunkten keinen Kostenvergleich heranzieht, der wirft schnell einige -zigtausend Mark zum Fenster hinaus.
Ausführliche Informationen
SPS-Quantum
KEM 570
Programmiersprache Concept
KEM 571
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