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Kleinsteuerungen im Überblick

01  In den Fällen, in denen nur ein Datenaustausch gefordert ist, die einzelne Steuerung jedoch aktiv steuern soll, bietet sich der Client/Server-Betrieb an

02  Die Bauformen der Kleinsteuerungen werden verändert und erweitert

Kleinsteuerungen waren zu Beginn ihrer Entwicklung von den Herstellern als einfacher Ersatz für Zeit- und Funktionsrelais vorgesehen. Zwischenzeitlich bieten diese Geräte in der Vernetzungstechnik, den Programmiersprachen, den Kommunikationsmöglichkeiten, den Visualisierungswerkzeugen und dezentralen Ein-/Ausgangserweiterungen richtungsweisende Lösungen, die selbst bei hochpreisigen Automatisierungssystemen noch vermisst werden.

Der Start der Entwicklung der Kleinsteuerungen wurde durch die Logo des Unternehmens Siemens markiert. Vom Hersteller als Logikmodul vermarktet, haben sich Kleinsteuerungen schnell von dem Vorurteil „nur für einfachste Anwendungen“ befreit. Die Easy-800-Serie des ­Unternehmens Eaton mit dem 32-bit-Prozessor sowie dem Easy-Net zur kostengünstigen Vernetzung unterschiedlicher Kleinsteuerungsansätze, wie dem Multifunktionsdisplay (MFD), hat den Ansatz der Kleinsteuerungen und die Anwendungen erweitert und die Begrenzungen aufgehoben.

Die Vernetzungsmöglichkeiten
Die Vernetzungsmöglichkeiten der Kleinsteuerungen richteten sich anfangs vor allem an den Bedürfnissen Europas aus. So umfassten sie zunächst KNX, AS-i, CAN, Profibus DP und Devicenet. Mit den Steuerungen Zelio von ­Schneider Electric, Millenium von Crouzet und ­“Nanoline”:http://www.phoenixcontact.com/global/automation/187_36016.htm von Phoenix Contact wurden Vernetzungen zwischen Kleinsteuerungen, Automatisierungssystemen und HMI ­sowie PC auf Basis von Modbus angeboten. Diese Bussysteme können auf der Basis von RS-485 (Modbus RTU) oder Modbus TCP/IP verwendet werden. Modbus hat eine hohe Verbreitung in Nord- und Südamerika, den Wachstumsmärkten Asiens sowie in Südeuropa, wie auch Frankreich. Die langjährigen Erfahrungen mit diesem Bus und die geringe Abhängig­keit von speziellen Ressourcen (Hard- und Firmware) machen ihn in vielen Wachstumsregionen inte­ressant.

Neben der Nutzung des Ethernet durch Modbus TCP/IP für Kleinsteuerungen bietet Siemens mit der Logo OBA7 nun eine Vernetzungsmöglichkeit für seine Logikmodule auf Basis einer integrierten Ethernet-Schnittstelle (Bild 1). Darüber können Logo-Logikmodule sowohl Daten untereinander austauchen als auch mit einem Bediengerät sowie mit einem übergeordneten Automatisierungssystem. Diese Ethernet-Schnittstelle dient neben dem Datenaustausch auch zur Programmierung der einzelnen Logo-Geräte.
Eaton bietet zur Vernetzung seiner Kleinsteue­rungen das proprietere Netzwerk Easy-Net an. Mit diesem lassen sich bis zu acht Kleinsteuerungen in den Varianten Easy 800, MFD oder Easy-Control zu einem dezentralen System verbinden. Dabei wird es zum Datenaustausch, zu Diagnosezwecken sowie zur Programmierung verwendet. Zum Austausch via Ethernet muss ein Gateway herangezogen werden.

Visualisierung verbessert
Große Fortschritte wurden mittlerweile auch im Zusammenhang mit der Visualisierung bei diesen Geräten gemacht. So starteten die einzelnen Hersteller mit dem in die Kleinsteuerung inte­grierten Display. Zur Bedienung wurden die Bedientasten der Kleinsteuerungen aktiviert und per Software abgefragt. Einen Fortschritt in Richtung „echter“ Visualisierungen brachte das MFD von Eaton. So ist mit diesem eine leistungsfähige Kleinsteuerung auf Basis eines Bediengeräts verfügbar, das über zahlreiche Visualisierungsobjekte verfügt, wie sie sonst nur in „echten“ Bediengeräten zur Verfügung stehen.
Für die Logo ist mit dem Logo TD ein Bediengerät vorhanden, das sich hinsichtlich seiner Bedienerfreundlichkeit und Praxis­tauglichkeit (Größe der Tasten usw.) auszeichnet.
Durch die verfügbaren Netzwerke, zum Beispiel Ethernet, können nun zahlreiche Bediengeräte in Kombination mit Kleinsteue­rungen genutzt werden. Damit bieten sich umfangreiche Möglichkeiten; die Kleinsteuerungen ­werden zu dezentralen Ein-/Ausgängen mit programmierbarer Logik.
Für die Modbus-basierten Systeme, wie ­Zelio, Millenium und Nanoline, kommt jedes Bediengerät infrage, das über eine Master-Funktion für den Modbus verfügt. Dazu zählen beispielsweise Geräte der Unternehmen Pro-Face und Phoenix Contact. In der Easy-Welt bietet sich wiederum das Easy-Net zur Kommunika­tion mit den leistungsfähigeren Visualisierungssystemen von Eaton an.

Die Bauform und IO-Erweiterungen
Kleinsteuerungen hatten immer unterschied­liche Begrenzungen. Diese Begrenzungen lagen zunächst in der Anzahl der Bausteine, des Speichers oder des Befehlsvorrats. Teilweise wurde die Entscheidung gegen den Einsatz einer Kleinsteuerung mit der zu geringen Anzahl der digitalen und analogen Ein-/Ausgänge begründet. Mit der „SmartWire-DT“-Entwicklung hat Eaton einen Weg aufgezeigt, bei dem Kleinsteue­rungen kontinuierlich digital und analog über die Grenzen einer Kleinsteuerung hinaus ausgebaut werden können. ­Dazu sind einerseits die netzwerkfähigen Aktoren und Sensoren der „SmartWire-DT“-Serie erhältlich, aber auch ­dezentrale, digitale und analoge Ein-/Ausgangsmodule des „SmartWire-DT“-Systems.
Inzwischen sind mit der Nanoline (Bild 2) und der ­Easy-802 bzw. 806 sowie dem MFD Geräte im Angebot, die über die Anfänge hinaus gehen. Das hat in unterschied­lichen Märkten und Anwendungsfeldern, wie in der Installationstechnik außerhalb Europas, dem Maschinenbau und der Verfahrenstechnik, Vorteile.

Makro-Technik
Da die Funktionspläne der praktischen Anwendungen immer umfangreicher wurden, war es nur konsequent, die Möglichkeit anzubieten, Teile eines Funktions- oder Schaltplans in Unterbausteinen zu strukturieren. Diese Technik boten zunächst die Alpha von Mitsubishi Electric, Zelio und Millenium sowie mit der Version 7 (OBA7) auch die Logo als UDF (User Definied Function). Damit werden nicht nur Strukturierungen geschaffen, sondern auch der Export fertiger und geprüfter Lösungen in andere, neue Projekte ermöglicht. Bausteinbeschreibungen, systematische Erstellung und Prüfungen ermöglichen dann ein modernes Software-Engineering. Dabei wird jedoch immer noch der eingeschränkte Befehlsvorrat einer Kleinsteuerung verwendet. Der Schritt, dass auch der Anwender einer Kleinsteuerung eigene Technologiebausteine in Basic, „C“ oder „Strukturiertem Text“ (ST) erstellen kann (wie Timer, Zähler, Regler des Herstellers), steht noch aus. Dieser wird die Kleinsteuerungen nochmals in der Verbreitung und Anwendung unterstützen.

Die Programmiersprachen
Zu Beginn der Entwicklung der Kleinsteuerungen dominierte mit der Logo der Logik- bzw. Funktionsplan. Das Unternehmen Eaton folgte mit dem Kontaktplan und bot damit eine Lösung, die dem Elektrohandwerk entgegen kam. Beide Beschreibungsmittel geben nicht direkt kausale, schrittweise Funktionsabläufe wieder, sondern sind eher geeignet, um Logik zu beschreiben und geben den Aufruf von Funktionsbausteinen wieder (Zeitfunktionen, Regler usw.) und die Verknüpfung der Variablen. In diesem Zusammenhang sind auch die Begriffe „Logikmodul“ oder „Steuer­relais“ zu sehen. Die Steuergeräte Nanoline, Zelio und Millenium verfügen hingegen über die Möglichkeit, Abläufe direkt in Grafcet (SFC) oder PAP (Programm-Ablauf-Plan) darzustellen. Damit gehen diese Geräte in den Programmiermöglichkeiten über einige Automatisierungssysteme hinaus und der Begriff „Logikmodul“ wäre für diese Geräte nicht mehr angebracht.

Die SMS-Technik
Kostengünstiges Melden und Alarmieren war stets ein Anliegen der Automatisierung. Mit der SMS-Technik war die ideale Basis zur Kommunikation mit Automatisierungs­systemen gegeben, die seit 1996 stetig in den unterschied­lichen Lösungsansätzen ausgebaut wird. Kleinsteuerungen mit den einfachen Anpassungsmöglichkeiten zur Daten­erfassung, Erstellung der zu übertragenden Nachrichten und Festlegung der einzublendenden Variablenwerte, Definition der Ereignisse, die zu einer Übertragung führen, bzw. Definition der Abläufe, die aufgrund einer eingehenden SMS ablaufen sollen. Es ist daher interessant, neben den Ergänzungsgeräten unterschiedlicher Hersteller zu Kleinsteuerungen auch die Nanoline des Unternehmens Phoenix Contact zu betrachten.

Datenlogging
Seit einigen Jahren bietet das Unternehmen Motron/Heßdorf ein Zusatzgerät für Kleinsteuerungen zum Daten­logging auf Basis des Modbus oder der Schnittstelle der ­Easy an. Dabei werden Daten der Kleinsteuerung auf einen USB-Stick oder eine SD-Karte geschrieben und können ebenso ausgelesen werden. Als Format dient das „csv“-Format, wie es die unterschiedlichsten Programme der PC-Welt verwenden. Diesem Trend folgend, bietet auch die Logo OBA7 die Möglichkeit, Daten auf eine SD-Karte zu schreiben und später auf dem PC auszuwerten.

Dem Safety-Aspekt Rechnung getragen
Eaton hat mit seiner Kleinsteuerung eine Basis geschaffen, um innerhalb eines Kleinsteuerungskonzepts auch ­Automatisierungsaufgaben zu lösen, die einen hohen Sicherheitslevel erfordern. Dazu wurde in der Gehäuseform einer Standard-Easy ein sicherheitsgerichtetes Steuerrelais (Easy-Safety) realisiert. Das Gerät verfügt über nichtsichere Erweiterungsmöglichkeiten und einen „nichtsicheren“ Datenaustausch über Easy-Net. Auf der Easy-Safety können sowohl sichere als auch Standardfunktionen ablaufen. Ob ein Funktionsteil auf einem sicheren Hardwarebereich oder als „­sichere Funktion“ programmiert werden muss, entscheiden die entsprechenden Risikobetrachtungen des Anwenders.

Bedeutung für Schulung und Ausbildung
Für den Einstieg des Nachwuchses in die Welt der Automatisierung haben Kleinsteuerungen eine große Bedeutung, da die Programmierebene mit integrierter Simulation von einigen Herstellern kostenlos im Internet heruntergeladen werden kann. Gleichzeitig können nicht nur Kontaktplan und Logik-/Funktionsplan erlernt werden, sondern auch die Ablaufsprache (Grafcet bzw. SFC) und der Programm­ablaufplan (PAP). Gerade das kausale, ablauforientierte Denken sollte am Beginn eines jeden Schulungskonzepts stehen. Zelio, Millenium und Nanoline bieten dazu einen kostenlosen Ansatz.

Zusammenfassung
Es ist zu erwarten, dass weitere Innovationen der Kleinsteue­rungen die Automatisierung bereichern werden. Dies gilt sowohl für die Bausteintechnik, zum Beispiel das Erstellen eigener Funktionsbausteine auf der Basis einer text­basierten Programmiersprache, wie auch die Netzwerktechnik, die Visualisierungsmöglichkeiten, die Ethernet-Vernetzungen, kostengünstige SMS-Kommunikationsmittel und das Daten­logging. Dabei kann es zu einer Verschmelzung der tradi­tionellen Automatisierungssysteme, HMI und Logikmodule, Smart-PLC oder allgemein Kleinsteuerungen kommen, wie es sich bereits abzeichnet und sinnvoll ist.

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Autor: Dipl.-Ing. Ulrich Kanngießer ist freier Fachjournalist aus Lauf.