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Messtechnik und Condition Monitoring in der Steuerung

Ethercat

Messtechnik und Condition Monitoring in der Steuerung

Ethercat wird heute nicht nur als Kommunikationsstandard in der industriellen Automatisierung, sondern auch als Messtechnikfeldbus eingesetzt. Damit bildet es die Grundlage zur Integration von Messtechnik und Condition-Monitoring-Systemen in die Maschinensteuerung.

Bild: Beckhoff Automation

Für Industrieunternehmen ist neben der hohen Durchlaufgeschwindigkeit die Effizienz ihrer Produktionsanlage entscheidend. Um diese Anforderungen erfüllen zu können, wird der Automatisierungsgrad von Maschinen kontinuierlich erhöht und Subsysteme für einzelne Teilaufgaben, zum Beispiel das Condition Monitoring, werden integriert. Durch den Einsatz von Ethercat kann nicht nur die Forderung nach mehr Performance erfüllt werden, sondern oft auch die Effizienz der Maschine gesteigert, ohne dass in Subsysteme investiert werden muss. Womit nicht nur die Anschaffungskosten, sondern auch die Ausgaben für systemspezifisches Know-how und Engineering gemeint sind. Condition Monitoring-Systeme (CMS) können hierfür als Beispiel dienen.

Diese werden üblicherweise zur Überwachung von mechanischen und elektrischen Komponenten in Maschinen und Anlagen eingesetzt. Ein herkömmliches CMS verhält sich dabei wie eine Blackbox, als Subsystem in der Anlage. Dadurch, dass Spezialhardware zur Messwerterfassung benötigt wird, sind die Systeme häufig teuer und unflexibel. Zudem erhöht sich der Engineeringaufwand, da Anwender neben dem Know-how für die eigentliche Steuerungsplattform auch Erfahrungen im Umgang mit dem CMS benötigen. Außerdem muss eine Querkommunikation zwischen Steuerung und CMS realisiert werden, um auf Alarmmeldungen entsprechend reagieren zu können. Dazu müssen standardisierte Kommunikationsschnittstellen oder herstellerspezifische Interfaces verwendet werden.

Ethercat kann separate Subsysteme ersetzen

Durch den Einsatz von Ethercat werden immer mehr Subsysteme überflüssig, da sich Funktionen in die Steuerung integrieren lassen. Basis hierfür ist das Funktionsprinzip von Ethercat, das Nutzdatenraten von weit über 90 Prozent mit Voll-Duplex-Fast-Ethernet und Buszykluszeiten von wenigen Mikrosekunden ermöglicht. Mit der Oversampling-Technologie, dem Zwischenspeichern von Messdaten direkt im Ethercat-Slave, lassen sich die Abtastraten weit über den eigentlichen Buszyklus hinaus steigern. ‚Verteilte Uhren‘ in den Ethercat-Slaves, die sogenannten ‚Distributed Clocks‘, sorgen für eine netzwerkweite, zeitlich synchronisierte Messwerterfassung. Der Jitter liegt deutlich unter einer Mikrosekunde, meistens sogar unter 100 Nanosekunden.

Das Schaubild zeigt Verifikationskriterien für analoge Ethercat-Klemmen. Bild: Beckhoff Automation

Präzise Messtechnik über Ethercat-Klemmen

Die Firma Beckhoff nutzt die Ethercat-Eigenschaften zur Entwicklung von neuen Messtechnik-Input/Outputs (I/O). Unter anderem gibt es Busklemmen für die Temperaturmessung, die Wägezellenauswertung, die Strom- und Spannungserfassung, die Schwingungsüberwachung und diverse Analogsignale, wie +/-10 Volt oder Null bis 20 Milliampere. Neu sind die Werkskalibrierzertifikate des Anbieters für die Ethercat-Klemmen. Diese dienen der Qualitätssicherung, insbesondere wenn die Klemmen Teil einer Messkette sind und hohen Anforderungen bezüglich der Reproduktion beziehungsweise Nachvollziehbarkeit von Messergebnissen unterliegen. Das Zertifikat dokumentiert die momentane Messabweichung zum Produktionszeitpunkt; durch die Definition der gesamten Messkette werden Messunsicherheiten reduziert. Neben Ethercat und präzisen Messtechnik-Busklemmen kommt der immer leistungsfähigeren PC-basierten Steuerungstechnik in vielen Szenarien eine entscheidende Bedeutung zu, will man Condition-Monitoring-Systeme ohne Subsysteme betreiben. Bei rechenstarken Geräten wie den Embedded-PCs CX2040 sind Vierkernprozessoren Intel Core i7 mit 2,1 Gigahertz im Einsatz.

So ist selbst bei komplexen Steuerungsaufgaben meist noch genügend Performance zur Analyse von Messwerten vorhanden. Mit der Automatisierungssoftware Twincat 3 ist der Anwender in der Lage, einzelne Programm-Tasks auf unterschiedliche Kerne der CPU zu verteilen. Möchte er beispielsweise seine Messwerte durch rechenintensive Algorithmen beurteilen lassen, so kann er eine eigene Analyse-Task definieren und diese auf einem separaten Kern der CPU laufen lassen. Des Weiteren bietet die Software für die Messdatenverarbeitung eine Condition-Monitoring-Bibliothek für SPS-Programmierer. Als Software-Baukasten konzipiert, können Anwender je nach Applikation und Wissensstand zwischen mathematischen Basis-Algorithmen oder Anwenderbausteinen auswählen: Grundlegende Algorithmen aus den Bereichen Analyse, Statistik und Klassifikation werden unter anderem durch Bausteine für Fast Fourier-Transformationen, Einhüllende, Kurtosis, Crest Factor, RMS und Grenzwertüberwachung repräsentiert. Damit stehen dem Anwender zahlreiche Basis-Algorithmen für die eigene Analysekette zur Verfügung.

Einen Schritt weiter in Richtung Applikation gehen die Anwenderbausteine. Diese setzen sich aus den Basis-Algorithmen zusammen und kapseln beispielsweise die Schemata, welche für eine Wälzlagerüberwachung notwendig sind. So können Anwender den Baustein mit Lagergeometriedaten konfigurieren und Grenzwerte teachen. Dabei ist es nicht zwingend erforderlich, Detailkenntnisse der intern ablaufenden Berechnungen zu haben.

Beide Typen in einem Programm

Es können beide Typen von Bausteinen in einem Programm verwendet werden. Grundsätzlich können die Bausteine der Bibliothek in Multitask- und Multi-Core-Systemen eingesetzt werden. Anwender müssen sich dabei nicht um Speicherzugriffe oder Ähnliches kümmern. Die Analysekette wird anhand von IDs aufgebaut. Somit sind die Bausteine auf einfache Art und Weise miteinander zu verknüpfen. Es spielt quasi keine Rolle, in welcher Task oder auf welchem Core einer der Bausteine aufgerufen wird. Im Fall der klassischen Schwingungsanalyse liefert die Ethercat-Busklemme EL3632 (IEPE-Schnittstelle mit maximal 50 kSps) die Rohdaten der Maschinenschwingungen. Die Daten der Klemme werden durch eine eindeutige ID gezielt an Algorithmen- oder Anwenderbausteine weitergegeben. Dadurch baut sich die Analysekette auf. Da Nutzer so die Datenkontrolle behalten, können sie entscheiden, welche Daten tatsächlich abgespeichert werden sollen: Rohdaten, Zwischenergebnisse, Endergebnisse oder lediglich Statuswerte in Form einer Ampel. Für den Datenaustausch zwischen SPS und Datenbank sorgt der Database Server der Lösung.

Vielseitige Anwendungsgebiete des integrierten CMS

Für die beschriebene Hard- und Software gibt es viele Anwendungsgebiete. Neben der klassischen zustandsorientierten Maschinenüberwachung kann beispielsweise im Bereich der Energietechnik eine Netzqualitätsüberwachung realisiert werden. Viele Szenarien ergeben sich auch für die Prüfstandstechnik. Wenn die Analyse direkt in der Steuerung erfolgt, kann der aktuelle Betriebszustand von Maschinen und Anlagen vollständig und unmittelbar in der Messwertanalyse berücksichtigt werden. Eine Querkommunikation zu Subsystemen entfällt, da nur das Feldbussystem Ethercat verwendet wird. Neben dem hohen Integrationslevel sprechen die Skalierbarkeit der Softwarebausteine und der Ethercat-Standardkomponenten sowie ein meist vereinfachtes Engineering für diese Infrastruktur. Damit kann der Einsatz eines Condition-Monitoring-Systems selbst für kleinste Maschinen – und preissensible Anwendungen – rentabel werden.