Industrial Ethernet Nutzen von Ethernet auf Feldgerätebene im Brauprozess

Redakteur: Jan Vollmuth

Industrial Ethernet hat sich in der Fertigungsautomatisierung etabliert. Die Technologie dringt nun weiter vor in den Bereich der Prozessautomatisierung und ist auf der Feldgerätebene angekommen. Heute können Durchflussmessgeräte so einfach wie ein USB-Stick an eine Steuerung angeschlossen werden, wie ein Beispiel aus der Brauindustrie zeigt.

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Promag 53H mit Ethernet-IP-Anbindung in der Bierfassabfüllung: Datenzugriff von allen Ebenen der Automatisierung erlaubt Prozessoptimierung sowie planbaren Service.
Promag 53H mit Ethernet-IP-Anbindung in der Bierfassabfüllung: Datenzugriff von allen Ebenen der Automatisierung erlaubt Prozessoptimierung sowie planbaren Service.
(Bild: Comac)

Auf der drinktec 2009 präsentierte der Lehrstuhl für Lebensmittelverpackung der TU München-Weihenstephan die kleinste vollautomatisierte Brauerei der Welt. In diesem Kooperationsprojekt zwischen Forschung und Industrie wurde unter praxisnahen Anforderungen gezeigt, wie einfach die Überwachung und Steuerung von Prozessabläufen funktionieren kann. Über Ethernet wurde das Prozessleitsystem Brewmaxx von Proleit für den Einsatz in der Brauindustrie mit der Logix-Steuerungsplattform von Rockwell Automation verbunden. Auf der Feldgerätebene aber wurde noch die Messtechnik und Aktorik über dezentrale Ein- und Ausgänge an die Steuerung angeschlossen.

Weltweit erstes Durchflussmessgerät mit Ethernet/IP

Keine 20 m entfernt von der Miniaturbrauerei wurde auf der gleichen Messe mit dem Proline Promass von Endress+Hauser das weltweit erste Durchflussmessgerät präsentiert, das über Ethernet/IP (Ethernet Industrial Protocol) direkt an eine Steuerung oder einen PC angeschlossen werden kann.

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In den vergangenen vier Jahren hat Endress+Hauser seine Produktpalette mit Ethernet-IP-Schnittstelle im Durchfluss um den magnetisch-induktiv messenden Proline Promag erweitert. Wo sind die Geräte bisher zum Einsatz gekommen und welchen Nutzen bringen sie dem Anwender?

Entwicklung der digitalen Kommunikation

In der Industrie gibt es eine Handvoll an digitalen Signalübertragungs-Technologien. Zum Einsatz kamen industrielle Feldbusse zuerst 1979 mit dem Modbus, gefolgt in den 1980iger Jahren von HART. Anfang der neunziger Jahre kamen weitere dazu: Profibus und Foundation Fieldbus.

Alle genannten Systeme boten im Gegensatz zur konventionellen 4-mA- bis 20 mA-Signalübertragung mehr Informationen in der Kommunikation zwischen Feld- und Leitebene der Prozessautomatisierung. Allerdings erfordern Profibus und Foundation Fieldbus spezielles Wissen und spezielle Feldbuskomponenten, die den Anforderungen wie Ex-Schutz sowie Stromversorgung und Datenübertragung über dieselbe Leitung genügen. In der Chemie- und Pharmaindustrie kommen beide Feldbusse häufig zum Einsatz.

Aus der Entwicklung des Ethernets, die Mitte der 1970iger Jahre begann, entstand das Internet. In der Industrie etablierte sich Ethernet in der Kommunikation zwischen der Ebene der Unternehmensführung (Business ERP, z. B. SAP) und der MES-Ebene (z. B. Betriebsdatenerfassung) als Standard-Ethernet TCP/IP. Auch auf Prozessleit- und Steuerungsebene wurden die Anbindungen als Industrial Ethernet definiert.

Sie ermöglichen einen schnellen und hoch verfügbaren Informationsaustausch zwischen prozessnahen Komponenten, wie beispielsweise einer speicherprogrammierbaren Steuerung (SPS), den Anzeige- und Bedienkomponenten und der Engineering Workstation.

Kein einheitlicher Standard auf Feldgeräteebene

In der Anbindung auf Feldgerätebene hat sich noch kein einheitlicher Standard der Kommunikationsprotokolle etabliert. Je nach Markt und Branche kommen unter anderem zum Einsatz Profinet, Modbus/TCP, EtherCAT, Ethernet Powerlink und Ethernet/IP. Die Lebensmittel- und Getränkeindustrie benötigt als hybride Industrie sowohl die Fertigungs- als auch die Prozessautomatisierung. Mit dem Wunsch nach einer möglichst einfach zu handhabenden Technik hat aus dem Fertigungsbereich Ethernet im Prozessbereich Einzug gehalten.

Aus der strategischen Allianz mit Rockwell Automation heraus startete Endress+Hauser zuerst mit der Ethernet/IP-Anbindung in der Durchflussmesstechnik. Rockwell Automation setzt in seinem in der Lebensmittelindustrie weit verbreiteten Steuerungssystem Control Logix/Plant PAx auf diese Kommunikations-Technologie.

Erwartungen an Ethernet auf Feldgerätebene

Die Komplexitätsreduzierung innerhalb der Automatisierungspyramide erfordert eine einheitliche Datenübertragung innerhalb der gesamten Anlage und eine Informationstransparenz auf allen Ebenen. Eine Anbindung via Internet und der Zugriff via Standard-Webbrowser sind Features, die echtes „Plug&Play“ ermöglichen können. Um die Kosten der Netzwerkerstellung zu reduzieren müssen Standard-Komponenten verwendbar sein.

Sind mehr Informationen aus dem Prozess verfügbar, können Produzenten Anlagenleistungen optimieren. Beispielsweise können mittels der Methode der „Overall Equipment Effectiveness (OEE)“ Ursachen für Stillstände, Engpässe in der Lieferkette sowie Qualitätsschwankungen erfasst werden.

Ferner sind kürzere Reaktionszeiten für das Anlagenmanagement und die Instandhaltung möglich, wenn Daten verfügbar sind, die einen Serviceeinsatz vorhersagen lassen. Ferner sollen Daten in Echtzeit in höher gelegenen Auswertungssystemen verfügbar sein. Intelligente Feldgeräte können diese Daten liefern und erlauben dem Betreiber einen tiefen Einblick in seine Prozesse. Mit Feldbussen wie Profibus bedeutet dieses aber einen hohen Aufwand an Konfiguration und Inbetriebnahme.

Praxiserfahrungen von Messgeräten mit Ethernet/IP

Auf der drinktec 2009 wurden Projekt-Ingenieure von Nestlé auf das Novum von Ethernet/IP für ein Durchflussmessgerät aufmerksam. Für ein Anlagenprojekt in Biessenhofen im Allgäu zur Herstellung hypoallergener Säuglingsnahrung suchten sie eine Lösung den komplexen Prozess rechnergestützt in engen Toleranzgrenzen zu führen. Da Rockwell Automation auf der Steuerungsseite gesetzt war, stand Ethernet/IP als Kommunikationsstandard fest. 26 Coriolis-Massedurchflussmessgeräte Promass 83F wurden mit Ethernet/IP installiert. Für Nestlé war die standardisierte Physik auschlaggebend, die schon bei der Planung und Installation der Prozessvisualisierung viele Vorteile bietet. Nach Anschluss des Geräts wird dieses selbstständig erkannt. Die Konfiguration und Integration in die Rockwell-Steuerung ist mit ein paar Mausklicks erledigt.

In einem weiteren Projekt kommt das magnetisch-induktive Durchflussmessgerät Promag 53H mit Ethernet/IP-Anbindung zum Einsatz. Die Comac Group entwickelte eine Abfüllanlage für Bierfässer, dessen Steuerungssystem vollständig auf dem Ethernet/IP-Kommunikationsprotokoll beruht. Auch hier kam die strategische Allianz mit Rockwell Automation zum Tragen. Der Promag 53H liefert alle Alarme und die Füllmenge der Bierfässer. Über den integrierten Webserver können sowohl der Bediener als auch der Service per Fernzugriff auf Messwerte und Diagnosedaten zugreifen, von unterschiedlichsten Stellen und Ebenen über nur eine Kommunikationsstruktur.

Mehr Informationen durch Multiparametergeräte

Das Coriolis-Gerät Promass 83 misst nicht nur den Massestrom, sondern weitere Parameter wie Dichte, Konzentration, Viskosität und Temperatur. Diese Informationen lassen neben den Rückschlüssen auf Produkteigenschaften auch Aussagen zum Prozessverlauf zu. Dank Ethernet/IP können sogar Daten zum Erregerstrom und der Schwingfrequenz des Messsystems ausgelesen werden. Damit lassen sich Prozessabweichungen wie Lufteintrag in der Anlage erkennen.

Der Anfang mit Ethernet auf der Feldgerätebene ist gemacht. Besonders die einfache und schnelle Integration von Messgeräten in die Automatisierungstopologie sind die Pluspunkte dieser Kommunikationstechnologie. Durch Ethernet/IP beschränken sich Integrationskosten und -risiken auf ein Minimum. Die einfache Gerätebedienung stößt auf eine hohe Akzeptanz bei den Benutzern. Durch die Verfügbarkeit und Transparenz von Daten in Echtzeit sowie dem Zugriff über alle Ebenen der Prozessautomatisierung können Prozesse, Produktqualität und Chargenverfolgung weiter optimiert werden.

Endress+Hauser hat mit den Durchflussmessgeräten Promass und Promag den Grundstein gelegt und wird sukzessive sein Geräteportfolio mit Ethernet/IP-Anschluss ausbauen. (jv)

Hannover Messe 2014: Halle 11, Stand C39

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