Pictures of the Future Frühjahr 2005
Innovation mit langem Atem
Automatisierung mit System
Vor etwa 50 Jahren führte Siemens die Mikroelektronik in der Automatisierungstechnik ein. Kleine Transistoren steuerten plötzlich riesige Dampfturbinensätze. Das war der Grundstein für die elektronische Industrieautomatisierung.
Moderne SIMATIC: Mit dem Prozessleitsystem SIMATIC PCS 7 können Prozesse auch direkt über Internet oder Intranet gesteuert, bedient und beobachtet werden
Erlangen, um 1956: Ein kleines Team von Fachleuten wird in den Siemens-Schuckert-Werken zusammengestellt. Sie sollen herausfinden, was die kurz zuvor erfundenen Transistoren im Hinblick auf die Energieversorgung bewirken können. Die Gruppe hat alle Freiheiten und sie entwickelt völlig Neues. 1959 präsentiert Siemens auf der Werkzeugmaschinen-Ausstellung in Paris stolz die erste Generation eines "Baukastensystems für kontaktlose Steuerungen": die SIMATIC G. Ob ein Aufzug per Knopfdruck gerufen wird oder eine Werkzeugmaschine ihre Arbeit nach Programm erledigt – stets sind Steuerungen im Einsatz. In konventionellen elektromechanischen Systemen dienten Relais und Schütze als Schaltelemente. Bei der SIMATIC G übernahmen das Transistoren (daher der Ausdruck "kontaktlos": Elektronik tritt an die Stelle von Relais-Kontakten). Die neuen Transistoren waren klein und verschleißfrei. Daher kam die SIMATIC G zuerst vor allem dort zum Einsatz, wo besonders zuverlässige Steuerelemente gefragt sind: in Umspann- und Kraftwerken.
Der SIMATIC G folgten bis heute fünf weitere Generationen mit stetig zunehmendem Funktionsumfang. War die erste Generation noch ganz auf die Steuerungstechnik ausgerichtet, löst das aktuelle SIMATIC-S7-System mit dem darauf aufbauenden Konzept der Totally Integrated Automation (TIA) fast alle denkbaren Aufgaben der Industrieautomatisierung – ob im Kraftwerk, im Klärwerk, der Verkehrstechnik oder in Fertigungsanlagen.
Weltweit führend. Mit der SIMATIC-Plattform hält Siemens weltweit eine Spitzenposition in der Automatisierungstechnik. "Ausschlaggebend für diesen Erfolg war, dass die einzelnen SIMATIC-Komponenten seit jeher optimal zusammenspielen", resümiert Thomas Hahn, Leiter der Software-Entwicklung von Siemens Automation and Drives in Nürnberg. Auch wurden industrietaugliche Neuerungen aus der Halbleitertechnik immer sofort einbezogen, was aber auch zu neuen Problemen führte. So entpuppten sich etwa bei der Entwicklung der SIMATIC G etliche Transistoren als unbrauchbare "Läufer": Ihre Eigenschaften änderten sich nach und nach, bis sie sich thermisch zersetzten.
Die Entwickler tüftelten ein Verfahren aus, mit dem sie die "kranken" Transistoren aussortierten. Auch wurde in der Anfangszeit die Isolationsfestigkeit mitunter genau so geprüft, wie man es von den robusten Schützensteuerungen gewohnt war: Die Betriebselektriker speisten Spannungsspitzen im Kilovolt-Bereich ein – wesentlich mehr als ein Transistor verträgt. "Das Sterben von SIMATIC-Bauteilen übertraf bei weitem das Ausbrennen ganzer Reglerschränke!" heißt es in einem alten Montagebericht.
Gute Überzeugungsarbeit bei der Einführung der SIMATIC leistete der Anfang der 60er Jahre entwickelte Lichtbogenschutz. Siemens rüstete zahlreiche Umspannwerke damit aus, denn dort traten häufig Lichtbogen-Kurzschlüsse auf, ausgelöst durch eine falsche Bedienung oder durch Überspannungen nach Blitzeinschlag. Die Schäden waren verheerend und bewirkten lange Stromausfälle. Lichtbogenlöscher sollten den auftretenden Lichtbogen innerhalb von Millisekunden in einen ungefährlichen Kurzschluss überführen, was mit der kurzen Schaltzeit der SIMATIC G auch gelang.
Anfang der 70er Jahre begann die Ära der speicherprogrammierbaren Steuerungen. Ihre Funktionen wurden nicht mehr über Hardware-Verdrahtungen bestimmt, sondern durch Software, was das Programmieren wesentlich erleichterte. "Neben den Steuerfunktionen hat die SIMATIC immer mehr übergeordnete Aufgaben übernommen", sagt Hahn. Voraussetzung war die stetig steigende Rechenleistung der Geräte: Eine SIMATIC-N-Baugruppe von 1965 verfügte über 20 Transistorfunktionen und damit über 15 Anweisungen – bei der S5-Baugruppe von 1988 waren es schon etwa vier Millionen Transistorfunktionen und 32.000 Anweisungen.
Mit den S5-Systemen, die ab 1979 auf den Markt kamen und die Aufgaben Automatisieren, Programmieren und Dokumentieren übernahmen, verfünffachte sich der Absatz innerhalb von zwei Jahren. Bald darauf hatten die ersten so genannten Bussysteme – unerlässlich für den Austausch von Daten und Befehlen – ihren Auftritt. Sie schlossen viele Einzelsteuerungen zu einem leistungsfähigen Datenverbund zusammen. So entwickelte sich die SIMATIC in den 90er Jahren zum Kern eines Prozessleit- und Managementsystems, das von der Signalebene bis zum Leitstand-Terminal alle Automatisierungsaufgaben abdeckt.
Obwohl der Begriff SIMATIC noch oft mit speicherprogrammierbaren Steuerungen gleichgesetzt wird, trifft dies längst nicht mehr zu, wie Hermann Richter, Produktmanager für SIMATIC PCS 7 betont: "Die SIMATIC steht für vollintegrierte Automation und damit für eine neue Art und Weise, Automatisierungsaufgaben umzusetzen." Beispiel Brauerei: Mit einer SIMATIC-Plattform sei die komplette Automatisierung realisierbar. Sämtliche Prozesse des Gärens und Brauens, der Flaschenabfüllung und des Versands werden durch eine übergeordnete Leitebene kontrolliert. "Das hat den Vorteil, dass es kaum noch teure Systembrüche und -übergänge gibt", erklärt Richter.
Lange Halbwertszeit. Voraussetzung für diese Integration sind durchgängige Datennetze, die wie Nervenstränge alle Ebenen der Automatisierung miteinander verbinden. Ebenso wichtig ist die Gliederung der Systemlandschaft in hierarchische, möglichst autonome Ebenen. Der Vorteil: Treten Störungen auf, entfällt nur die Funktion des betroffenen Prozessteils, während das Gesamtsystem – wenn auch eingeschränkt – in Betrieb bleibt. Auch lässt sich so das Gesamtsystem schrittweise erweitern. "Der Trend geht eindeutig in Richtung offene Systemarchitektur", sagt Richter. Für die Kunden garantiere das ausreichend Investitionsschutz: "So ein aufwändiges System soll ja nicht so bald zum alten Eisen gehören, sondern lange nutzbar sein!"
Standardisierung auf noch höherer Ebene ist Ziel eines neuen Projekts: einer einheitlichen Architektur der unterschiedlichen Leittechniken von Siemens. An die 40 Systeme gibt es in Siemens-Produkten, darunter Telefon-, Gebäude- oder Kraftwerkleitsysteme. Die Entwicklung einer einheitlichen Plattform habe große Vorteile, erklärt Werner Schlieker, Entwicklungsleiter von Siemens A&D AS in Nürnberg, der das Projekt im Rahmen des Business Excellence Programms top+ Innovation koordiniert. Für Siemens ergäben sich enorme Einsparungen aus Synergien bei Forschung und Entwicklung. Denn bislang verschlang die Entwicklung jedes Leitsystems Beträge in zwei- bis dreistelliger Millionen-Euro-Höhe. Der Kunde wiederum profitiert vor allem von der einfacheren, weil einheitlichen Bedienung. "Damit lässt sich auch der Schulungsaufwand beträchtlich verringern", sagt Schlieker.
Luitgard Marschall
Systemarchitektur der Prozessleittechnik
Leitsysteme überwachen und steuern Anlagen als Teil eines Produktionssystems. Ihre Architektur ist vernetzt und hierarchisch gegliedert. Bindeglied ist das Datennetz für die Kommunikation. Hier werden große Mengen von Daten und Befehlen ausgetauscht. Auf den unteren Ebenen geschieht dies vor allem durch Feldbussysteme (Profibus); auf den oberen Stufen ist Ethernet vorherrschend. In Zukunft soll ein echtzeitfähiges Industrial Ethernet alle Ebenen umfassen (s. Pictures of the Future, Herbst 2004, Echtzeit). Die Spitze bildet die übergeordnete Leitebene, die mehrere Anlagen in einem gemeinsamen Produktions-Managementsystem vereint. Darunter folgen weitere Ebenen: Die Prozessleitebene koordiniert und überwacht alle Steuerungs- und Automatisierungsfunktionen. In dieser Ebene werden auch die Elemente der Feldebene zu logischen Einheiten zusammengefasst. Zur Feldebene gehören Aktoren zur Umsetzung von Stellbefehlen der Steuerungsebene und Sensoren zur Messung verschiedener physikalischer Größen.