Geschrieben von Carsten Frederiksen

Eiffage Energie Systèmes-Clemessy und Dewesoft arbeiten seit Jahren in einer engen Partnerschaft zusammen und liefern Lösungen, die Überwachungs-, Steuerungs- und hochwertige Datenerfassungssysteme umfassen, für anspruchsvolle Märkte wie den Verteidigungssektor, die Luft- und Raumfahrt- oder die Automobilbranche.

Solche Lösungen müssen in der Lage sein, Prozesse mit höchster Präzision zu steuern, was einen zuverlässigen und automatischen Betrieb, ein konfigurierbares und anpassungsfähiges System mit einer effizienten Prozessschnittstelle und eine Echtzeitsteuerung erfordert. Die innovative Lösung, die Syclone und Dewesoft integriert, erfüllt diese Anforderungen.

Syclone real-time measurement and control systems by Clemessy and Dewesoft

Einleitung

Um größere Systeme im besten Betriebszustand zu halten, wird in Branchen wie Luft- und Raumfahrt, Verteidigung, Energie, Automobil und Fertigung auf oft komplexe Prozesse in vielen Fällen eine übergeordnete Steuerung und Überwachung angewendet. Zweck ist die Überwachung und Verwaltung von Maschinen, Gebäuden und Anlagen auf Grundlage der Datenerfassung und -verarbeitung (Messungen, Alarme, Statusaktualisierungen usw.) sowie von Befehlsparametern der in der Regel durch speicherprogrammierbare Steuerungen ausgeführten Prozesse.

Um der technologischen Herausforderung eines vereinfachten und doch immer leistungsfähigeren Betriebs gerecht zu werden, hat Clemessy die voll skalierbare Steuerungssoftware Syclone entwickelt. Sie funktioniert wie eine Toolbox und ermöglicht es, maßgeschneiderte Lösungen zu entwickeln, die an alle Anforderungen und Umgebungen – von den einfachsten bis zu den komplexesten – angepasst werden können. Diese Software verbindet die Welten der Überwachung, der Echtzeit-Prozesssteuerung und physischer Hardware.

Clemessy, eine Tochtergesellschaft von Eiffage, ist ein französischer Integrator von Steuerungssystemen und Prüfständen, dessen Tätigkeitsbereiche beispielsweise die Überwachung kritischer Systeme, die Prozesssteuerung und -automatisierung und die Einrichtung von Integrations- und Testanlagen umfassen.

Dewesoft ist ein slowenischer Anbieter von Datenerfassungs- und Analyselösungen, der sich zu einem multinationalen Unternehmen mit 16 Niederlassungen auf der ganzen Welt und führenden Hersteller von Messhardware und -software entwickelt und die Anerkennung von Unternehmen wie der NASA, SpaceX, Volvo, Bosch, BMW, Audi, Caterpillar, Daimler Benz und vielen anderen gefunden hat.

Herausforderungen bei der Überwachung und Steuerung

Die größte Herausforderung für solche Überwachungslösungen besteht darin, die Prozesse mit höchster Präzision zu steuern – dazu müssen sechs wichtige Voraussetzungen erfüllt sein:

  1. Die erste ist ein zuverlässiges und sicheres System, das die Qualität und Genauigkeit der Abläufe gewährleistet.
  2. Dann wird eine effiziente Prozessschnittstelle benötigt, die in der Lage ist, Daten mit schneller Abtastrate und vollständig synchronisiert von mehreren Geräten zu erfassen.
  3. Ein leicht konfigurierbares und anpassungsfähiges System ist die dritte Voraussetzung, die erfüllt sein muss, um die Anforderungen der Aufgabe perfekt zu erfüllen.
  4. Zur Begrenzung des Fehlerrisikos und Gewährleistung der Zuverlässigkeit des Prozesses ist ein System erforderlich, das autonom und automatisch funktioniert, aber die Möglichkeit manueller Bedienereingriffe bietet.
  5. Der Einsatz eines Echtzeit-Controllers ist ein weiterer Schlüssel zur Genauigkeit. Er gewährleistet die Einhaltung der Zykluszeitvorgaben und die erwartete Prozessgenauigkeit.
  6. An der Schnittstelle mit dem automatischen und autonomen Betrieb muss ein Echtzeit-PID-Regler (Proportional - Integral - Differential) implementiert werden, der einen Regelkreis-Rückkopplungsmechanismus zur Steuerung von Prozessvariablen nutzt, indem er Soll- und Messwerte der zu regelnden Größen miteinander vergleicht und dann automatisch eine genaue und reaktionsschnelle Korrektur durchführt.

Die Lösung von Syclone und Dewesoft erfüllt alle diese wesentlichen Anforderungen.

Schematische Übersicht des Überwachungs- und SteuerungssystemsAbb. 1: Schematische Übersicht des Überwachungs- und Steuerungssystems

Die Hardware- und Software-Architektur von Syclone ermöglicht die Überwachung industrieller Prozesse. Es ist eine effiziente Lösung, die für alle Anwendungen von Steuerungssystemen – von der Industrieautomatisierung bis hin zur Steuertechnik für Trägerraketen – geeignet ist.

Die modulare Syclone-Software ist höchst anpassungsfähig an sehr unterschiedliche Anforderungen. Sie funktioniert wie eine Toolbox, mit der komplett maßgeschneiderte Lösungen sowohl für einfache als auch für extrem komplexe Systeme entwickelt werden können. Zu den Modulen gehören eine Mensch-Maschine-Schnittstelle, eine sequenzielle Ablaufsteuerung, ein SCADA-System, ein Echtzeitregler, ein Datenerfassungsmodul und ein Server. Jedes dieser Softwaremodule hat dedizierte Funktionen und kann an spezifische Bedürfnisse angepasst werden.

Das Modul-Set kann den jeweiligen Anforderungen entsprechend „à la carte“ implementiert werden, um die Gesamtentwicklungszeit zu optimieren und die Nutzung der Software zu vereinfachen. Jedes Modul hat eine dedizierte Funktion, die an Ihre spezifischen Bedürfnisse angepasst werden kann. Die Module sind entsprechend ihrer Funktion und Rolle im System in 3 Kategorien gruppiert:

  • Der Kern ist das Herzstück des Systems auf der Serverebene, auf dem das System aufbaut. Der Server übernimmt die Datenerfassung sowie die Ereignisaufzeichnung und -verwaltung. Ein Skript-Editor führt zeitbasierte Operationen durch, und ein Variablen-Editor konfiguriert die Prozessschnittstellen.
  • Die SCADA-Einheit ist in Java entwickelt und bildet das Herzstück des Systems für die Überwachung von Anlagen, Prozessen oder Messungen. Sie umfasst einen Betrachter zur Anzeige und Kontrolle von Ein- und Ausgängen in einem Schaltbild, eine Kurvenfunktion zur Echtzeit- oder zeitversetzten Darstellung von Kurven und Trends, einen Betrachter/Editor zur Bearbeitung der Visualisierungen und eine Datenbankschnittstelle.
  • Die in C++ entwickelte Echtzeit-Einheit ist das Herzstück des Systems zur Echtzeit-Steuerung von Prozessen, Abläufen und automatisierten Systemen. Sie umfasst einen Sequenz-Editor, einen grafischen Editor zum Erstellen einer Echtzeit-Sequenz, einen Automatisierungs-Editor, einen weiteren grafischen Editor zum Generieren echtzeitfähiger Automatisierungen. und schließlich einen Echtzeit-Controller zur Steuerung von Ein- und Ausgängen und einen Prozesssimulator zur Prozesssimulation in Echtzeit.

Es sind keine weiteren Kodierungen oder mühsamen Arbeiten erforderlich, außer wenn eine Kodierung in C++ benötigt wird. Tests werden vom grafischen Sequenzer definiert. Die Sequence, also der Programmablauf, wird per Drag-and-Drop als Flussdiagramm durch Aneinanderreihung/Verzweigung von Aktions-Boxen erstellt. Ein portables Tool, mit dem Sie Ihre Sequenz offline erstellen können, ohne mit dem Prüfstand verbunden zu sein, ist ebenfalls verfügbar.

EtherCAT-Datenerfassungsgeräte von Dewesoft

Das schnelle und hochflexible Ethernet-Netzwerkprotokoll EtherCAT (Ethernet for Control Automation Technology) bringt die Leistungsfähigkeit des Ethernet in die Welt der industriellen Automatisierung, Bewegungssteuerung, Echtzeitsteuerungssysteme und Datenerfassungssysteme.

Bis vor kurzem mussten Techniker, wenn sie Echtzeitdaten von einem Datenerfassungssystem benötigten, die Signale der verschiedenen analogen Ausgänge (ein separater Ausgang für jeden analogen Eingangskanal) vom DAQ-System in die SPS-Steuerung übertragen. Dies erforderte mehrere analoge Eingänge sowie eine redundante Umwandlung von analogen zu digitalen und zurück zu analogen Daten.

Durch die Installation eines EtherCAT-Slave-Ports in ihre DAQ-Systeme macht Dewesoft die redundanten Analogeingänge an der SPS komplett überflüssig. Mit Datenerfassungssystemen wie IOLITE and IOLITEd lässt sich bei vielen Anwendungen sogar die SPS-Hardware komplett einsparen. IOLITE kann nämlich an einen Computer-Host angeschlossen werden, auf dem eine Echtzeit-SPS-Software, z. B. ein System wie Syclone von Clemessy o. ä., läuft.

Video zu den EtherCAT-kompatiblen IOLITE-Datenerfassungs- und Steuerungssystemen von Dewesoft

Kombiniert man das IOLITE-Datenerfassungs- und Steuerungssystem mit einem dieser über EtherCAT angeschlossenen Echtzeit-SPS-Softwaresysteme, dann kann IOLITE sogar die Aktoren ansteuern und so die für das System erforderliche Echtzeit-Hardwaresteuerung übernehmen.

Darüber hinaus ermöglicht der EtherCAT-Master-Port die Erweiterung der Kanäle. Die IOLITE-Datenerfassungs- und Steuerungssysteme verfügen über doppelt redundante EtherCAT-Ports, d. h. sie können synchronisierte Daten von anderen mit EtherCAT ausgestatteten DAQ-Systemen empfangen, wie z. B. den SIRIUS- und KRYPTON-Datenerfassungsmodulen von Dewesoft oder natürlich auch von zusätzlichen IOLITE- oder IOLITEd-Modulen.

Einfaches Beispiel – Überwachung eines Elektrozylinders

Ein einfaches, aber typisches Beispiel – ein mit einem industriellen Elektrozylinder ausgestattetes System – kann verdeutlichen, wie die Welten des Messens und des Steuerns zusammenfinden.

Prozesssteuerung und -überwachung bei einem industriellen ElektrozylinderAbb. 2: Beispiel – Prozesssteuerung und -überwachung bei einem industriellen Elektrozylinder

Komplettes System zur Steuerung eines industriellen Elektrozylinders mit EtherCAT –Verbindung zwischen Dewesoft und SycloneAbb. 3: Komplettes System zur Steuerung eines industriellen Elektrozylinders mit EtherCAT –Verbindung zwischen Dewesoft und Syclone

Auf der einen Seite steht die Welt der Überwachung: Hier stellt Syclone die Bedienerschnittstelle und übernimmt die Funktion des Servers und Echtzeit-Sequenzers. Auf der anderen Seite – in der Welt der Datenerfassung und Prozesssteuerung – sind die Dewesoft-Geräte direkt mit dem Prozess gekoppelt. Einzigartig ist dabei, dass die DAQ-Systeme von Dewesoft nicht nur der Datenerfassung, sondern auch als „Drittanbieter“-EtherCAT-Slaves dienen.

Antriebsprozess

Der Antriebs- und Steuerungsprozess für den Elektrozylinder basiert auf einem Positionssensor, der die Zylinderposition, und einem Kraftsensor, der die vom Zylinder aufgebrachte Kraft erfasst. Beide Parameter werden zur Einrichtung der Anwendung und zur Überwachung des Zylinders verwendet. Ein solches Verfahren könnte in der Fertigung eingesetzt werden, um verschiedene Teile eines Projekts zu montieren oder einzuspannen.

Erfassungs- und Steuerungssystem

Im Bereich der Erfassungs- und Steuerungssysteme bilden Dewesoft-Frontends – Sirius für die Sensorerfassung und Krypton für die Zylindersteuerung – die Schnittstelle zwischen dem physischen System und dem Echtzeit-Controller. Dieser Teil des Aufbaus ist über EtherCAT mit dem Herzstück der Anlage, dem Echtzeit-Controller, verbunden, um die Echtzeitüberwachung und -bedienung von einer Bedienposition aus zu gewährleisten.

Echtzeit-Controller

Der Echtzeit-Controller folgt bei der Steuerung des physischen Systems den vom Anwender vordefinierten Anweisungen. Er verarbeitet Informationen – die von den Dewesoft-Geräten erfassten Messwerte – und überwacht das System autonom und permanent, um Gefahrensituationen, wie z. B. eine zu hohe Kompression, zu verhindern und das System bei Bedarf in einen sicheren Modus zu versetzen.
Die garantierte Zykluszeit für all diese Vorgänge beträgt 1 ms. Die Echtzeitverarbeitung wird durch die Kombination eines RedHawk-Linux-Echtzeitsystems und eines EtherCAT-Feldnetzwerks zwischen dem Echtzeit-Controller und den Dewesoft-Frontends gewährleistet.

Überwachungssystem

Das Überwachungssystem bzw. die Mensch-Maschine-Schnittstelle zeigt dem Bediener Feldinformationen an und ermöglicht die Definition und Konfiguration des gewünschten Antriebs anhand der verfügbaren Messdaten und Steuerungsparameter. Das System berücksichtigt alle Änderungen bei den Sollwerten des Bedieners und bietet dem Bediener die Auswahl zwischen manuellem oder automatischem Antrieb und Steuerung des Systems.

Das Überwachungssystem kann komplett webbasiert und über einen auf einem Laptop oder Tablet installierten Webbrowser zugänglich sein. Dies erlaubt dem Bediener die größtmögliche Nähe zum System.

Größere und komplexere Systeme

Wenn wir etwas weiter denken, möchten Sie vielleicht wissen, wie diese Lösung Ihren Anforderungen gerecht werden kann, wenn diese komplexer sind als die Verwaltung eines einfachen elektrischen Zylinders. Mit Dewesoft-Systemen und einer Syclone-Steuerungslösung lassen sich in der Tat auch Prüfstände mit ähnlicher Architektur, aber in größerem Maßstab realisieren.

ESA-Prüfstand für Feststoffbooster

CLEMESSY und Dewesoft lieferten beispielsweise ein Überwachungs- und Steuerungssystem, das bei den Tests des Boosters für die Ariane 6 – eine unbemannte Trägerrakete der europäischen Raumfahrtorganisation ESA – zum Einsatz kam.

Feststoffbooster-Test auf dem europäischen Weltraumbahnhof bei Kourou (Französisch-Guayana)Abb. 4: Feststoffbooster-Test auf dem europäischen Weltraumbahnhof bei Kourou (Französisch-Guayana)

Der Europäische Prüfstand für Feststoffzusatzraketen (BEAP) ist eine einzigartige Anlage in Französisch-Guayana, auf der die Booster für die europäischen Trägerraketen ARIANE 5, VEGA und ARIANE 6 getestet werden. Der Prüfstand soll Messwerte erfassen und die Düse steuern, um die Funktion der Bordelektronik zu überprüfen.

Die Einzigartigkeit und der hohe Mehrwert der geprüften Einheiten, aber auch die hohen pyrotechnischen Risiken erfordern bei den Raketentests eine optimale Sicherheit und Zuverlässigkeit der Steuerung für ein System, das über mehrere Jahrzehnte einsatzfähig bleiben soll.

Für dieses Projekt entwickelte und baute Clemessy das gesamte Steuerungs- und Datenerfassungssystem, einschließlich der Integration der Syclone-Software mit den Datenerfassungssystemen von Dewesoft.

Hardware-Aufbau des BEAP-Prüfstands. Sirius und SBOX R8 von Dewesoft sind hier mit Syclone kombiniert und kommunizieren über ein EtherCAT-Netzwerk. Die Schleifenlaufzeit beträgt 1 ms auf einem Netzwerk mit einer Länge von etwa 4 Kilometern.
Abb. 5: Hardware-Aufbau des BEAP-Prüfstands. Sirius und SBOX R8 von Dewesoft sind hier mit Syclone kombiniert und kommunizieren über ein EtherCAT-Netzwerk. Die Schleifenlaufzeit beträgt 1 ms auf einem Netzwerk mit einer Länge von etwa 4 Kilometern.

Zustandsüberwachung an der Jacques-Chaban-Delmas-Brücke

Für die Untersuchung von Geräuschquellen und Erhöhung der Gesamtqualität der vorausschauenden Instandhaltung installierte Clemessy Schall- und Schwingungsüberwachungssensoren zur Beobachtung der kinematischen Kette – also der Maschinerie – und der Hauptrollen auf beiden Seiten der Jacques-Chaban-Delmas-Brücke in Bordeaux (Frankreich).

Blick aus dem Kontrollzentrum der Jacques-Chaban-Delmas-Brücke in BordeauxAbb. 6: Blick aus dem Kontrollzentrum der Jacques-Chaban-Delmas-Brücke in Bordeaux

Bei der Jacques-Chaban-Delmas-Brücke handelt es sich um ein Bauwerk, das in der Lage ist, eine 2750 Tonnen schwere Brückentafel in 11 Minuten auf eine Höhe von 53 Metern anzuheben, um die Durchfahrt von Jachten, Fähren oder Segelbooten zum oder vom Hafen von Bordeaux zu ermöglichen.

Der Hebemechanismus funktioniert nach dem Prinzip eines gigantischen Aufzugs und benötigt ein zehnköpfiges Team. Die Herausforderung bestand darin, die am besten geeignete Datenerfassungsarchitektur und Überwachungstechnologie für die erforderlichen Messinstrumente und die großen Kabellängen zu bestimmen und die Dewesoft-Datenerfassungslösung mit der Kundendatenbank zu verknüpfen.

Fazit

Kurz gesagt handelt es sich um eine zuverlässige und effiziente Lösung, die durch die vielfältige Verwendbarkeit von Modulen und die präzise Anpassung an die Kundenspezifikationen nicht nur eine schnellere Softwareentwicklung, sondern auch eine Kostenoptimierung ermöglicht. Zudem ist sie einfach und schnell zu bedienen, da grafische Sequenzen und automatisierte Prozesse zur Systemsteuerung eingerichtet werden können. Schließlich ist die Lösung sicher und zuverlässig, da Syclone unter Berücksichtigung der Cybersicherheit für kritische Anwendungen entwickelt wurde, und durch die Unabhängigkeit vom Versionsstand der Betriebssysteme ist eine lange Lebensdauer gewährleistet.

Die Lösung von Syclone und Dewesoft ist perfekt für kritische Anwendungen und die Überwachung von Anlagen geeignet:

  • Überwachung kritischer Systeme
  • Prozesssteuerung und -automatisierung
  • Integrations- und Testanlagen
  • Echtzeit-Controller und Sequenzer
  • Messung - Datenerfassung
  • Montagelinie - Schlanke Produktion

Die Besonderheit der Dewesoft Lösung besteht darin, dass die Dewesoft-Systeme nicht nur der Datenerfassung, sondern auch als „Drittanbieter“-EtherCAT-Slaves dienenAbb. 7: Hardware-Schema: Syclone stellt die Bedienerschnittstellen und übernimmt die Funktion des Servers und Echtzeit-Sequenzers, während die Dewesoft-Geräte direkt mit dem Prozess gekoppelt sind. Die Besonderheit der Lösung besteht darin, dass die Dewesoft-Systeme nicht nur der Datenerfassung, sondern auch als „Drittanbieter“-EtherCAT-Slaves dienen.