Industrielle steuerungssysteme

Ein industrielles Steuerungssystem (ICS) umfasst SCADA-Systeme (Supervisory, Control and Data Acquisition), Prozessleitsysteme (PLS) und andere kompakte Steuerungssystemkonfigurationen, wie speicherprogrammierbare Steuerungen (SPS), intelligente elektronische Geräte (IED), Fernbedienungsterminals (RTU) und andere Feldgeräte. Ein ICS erhöht die Leistung, Sicherheit und Zuverlässigkeit durch kontinuierliche Steuerung und Überwachung jedes industriellen Prozesses sowie durch reduzierten manuellen Aufwand.

Einfache Steuerungssysteme werden in Schalttafeln eingebaut und auf kleinen diskreten Steuerungen eingesetzt, sodass die direkte Anzeige am Frontpanel möglich ist und der Bediener bei Bedarf manuell eingreifen kann. Ursprünglich handelte es sich um pneumatische Steuerungen, heute sind jedoch fast alle Steuerungen elektronisch. Netzwerke aus solchen elektronischen Steuerungen kommunizieren mithilfe branchenüblicher Protokolle, wodurch komplexe Systeme geschaffen werden. Der Netzwerkbetrieb ermöglicht die Verwendung von ferngesteuerten oder lokalen SCADA-Bedienerschnittstellen sowie die Kaskadierung und Verriegelung der Steuerungen.

PLS sind digitale Prozesssteuerungssysteme, die benutzerdefinierte Prozessoren als Steuerungen verwenden und entweder Standardprotokolle oder proprietäre Verbindungen für die Kommunikation nutzen. Dieser Prozess umfasst Feldanschlussmodule und Steuerungsfunktionen, die über das gesamte System mit zentraler Steuerung verteilt sind und Management- und Überwachungsfunktionen für große industrielle Prozesse bieten.

SCADA, eine Steuerungssystemarchitektur, verwendet Computer, grafische Benutzeroberflächen (GUIs) und vernetzte Datenkommunikation für das Überwachungsmanagement auf höherer Ebene. Das SCADA-System verwaltet die Bedienerschnittstellen, welche Prozessbefehle überwachen und ausgeben. Vernetzte Module, die mit anderen Peripheriegeräten wie diskreten PID-Reglern und speicherprogrammierbaren Steuerungen verbunden sind, führen Logikberechnungen und Steuerungsabläufe in Echtzeit durch. Diese Steuerungen weisen Schnittstellen mit der Maschine auf.

SPS sind kompakte modulare Geräte mit mehreren Ein- und Ausgängen (I/O) in einem Gehäuse, das mit dem Prozessor integriert ist. Die Bandbreite reicht bis hin zu großen modularen Geräten in Racks, bei denen Tausende von Eingängen/Ausgängen zu SCADA-Systemen vernetzt sind. Die speicherprogrammierbaren Steuerungen (SPS) innerhalb des ICS dienen als nützliche Brücke zwischen der physischen Welt und der Cyberwelt. Aufgrund der kritischen Funktion, die ICS und SPS haben, sind die beiden zu Zielen komplexer Cyberangriffe geworden. Diese Angriffe zielen darauf ab, den Betrieb dieser Systeme und Geräte zu beeinträchtigen, was sowohl soziale Unruhen als auch finanzielle Verluste verursachen kann.

Mehrere Kommunikationsprotokolle werden in verschiedenen ICS-Umgebungen verwendet. Die meisten Protokolle sind für bestimmte Zwecke wie Prozessautomatisierung, Gebäudeautomatisierung und Energiesystemautomatisierung konzipiert. Die ICS-Protokolle umfassen im Allgemeinen Process Field Bus (PROFIBUS), Building Automation and Control Networks (BACnet), Distributed Network Protocol (DNP3), Modbus, Open Platform Communication (OPC), Ethernet for Control Automation Technology (EtherCAT) und Common Industrial Protocol (CIP).

Nun geht es darum, alles online zu stellen. Die vierte industrielle Revolution (Industrie 4.0) – ein Begriff, der cyber-physische Systeme wie das Internet der Dienste und das Internet der Dinge (IoT) verknüpft – erfreut sich wachsender Beliebtheit bei Erstausrüstern (OEMs), Anlagenbesitzern und Systemintegratoren. In naher Zukunft wird es gewisse ICS-Informationen geben, die über ein Weitverkehrsnetz, in dem Sicherheit durch Unklarheit keinen wirksamen Schutz mehr bietet, an anspruchsvolle Anwendungen in Unternehmen weitergeleitet werden. ICS sind für Projekte wie Smart Grid- und Smart City-Anwendungen mit dem Internet verbunden, wodurch die Bedrohung seitens böswilliger Akteure noch verstärkt wird.

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Input-/Output-schnittstelle

Eine Input-/Output-Schnittstelle, auch kurz I/O-Schnittstelle genannt, dient zur Interaktion zwischen einer zentralen Verarbeitungseinheit, wie z. B. einer SPS, und den Eingabe- sowie Ausgabegeräten. Inputs sind die Signale oder Daten, die das Verarbeitungssystem von einem digitalen Eingabegerät, z. B. einem Schalter, Relais oder Schütz, und über analoge Eingänge von verschiedenen Sensoren empfängt. Sie liefern Informationen zu physikalischen Parametern wie Temperatur, Druck usw. Outputs sind die Signale oder Daten, die das Verarbeitungssystem an digitale Ausgabegeräte, z. B. eine Anzeige, eine Lampe, einen Alarmgeber, ein Relais oder ein Schütz, sowie an analoge Ausgabegeräte, z. B. Motoren, Ventile und Proportionalregler, sendet.

Jedes I/O-Modul kann bis zu 32 Kanäle enthalten, die für bestimmte Spannungs- und Stromattribute ausgelegt sind, und kann rackbasiert, verteilt oder eigenständig oder erweiterbar sein. Üblicherweise wurden Schraubklemmen für Verdrahtungsverbindungen eingesetzt, obwohl viele Benutzer jetzt auf Federklemmen umgestiegen sind, um Vibrationsfestigkeit und einfachere Verdrahtung zu gewährleisten.

Einige I/O-Module verfügen über spezielle Funktionen wie Frequenzrate (Hz), Widerstand (Ohm) oder Spannung (mVs). Integrierte Temperaturfühlerschaltungen (ICTD), Thermoelemente (TC) und Widerstandstemperaturfühler (RTD) sind spezielle KI-Versionen (künstliche Intelligenz) und werden häufig verwendet, um eine hohe Eingangsdichte zu bieten. Alle Kanäle in einem Modul sind in Bezug auf das grundlegende Format in der Regel gleich, aber einige neuere Systeme bieten eine Mischung aus allen vier Grundtypen von Modulen mit diskreten Eingängen und diskreten Ausgängen.

Einige I/O-Systemanbieter bieten multifunktionelle I/O-Module an, die ähnliche Signale an den entsprechenden Klemmen empfangen und mithilfe einer softwarezentrierten Konfiguration spezifische Attribute für jedes Signal erstellen.

Moderne I/O-Systeme verwenden offene Ethernet-Protokolle. Einige dieser I/O-Systeme können die kommerzielle PoE-Technologie (Power over Ethernet) nutzen, um remote I/O und sogar Stromschleifen zu betreiben. I/O-Systeme verfügen über eine softwarebasierte Konfiguration, da es wichtig ist, das I/O-Modul zu regeln, um Systemkommunikationsverbindungen zu überwachen oder zu steuern. Gelegentlich ist ein Kommunikationsadapter erforderlich, um die I/O-Module zu validieren, damit die Kommunikation mit einem Überwachungssystem möglich ist.

Da Standard-Ethernet zur Vernetzung moderner I/O-Systeme verwendet werden kann und sie nicht auf Master-Slave-Kommunikationen beschränkt sind, stehen neue Architekturmöglichkeiten zur Verfügung, um die Lücke zwischen herkömmlichen kabelgebundenen und intelligenten Drahtlos- und I/O-IIoT-Systemen zu schließen. Diese Systeme können die I/O-Steuerung mit eingebetteten IT-Technologien koppeln, um Remote-Slaves in verteilte Datenknoten umzuwandeln. Selbst bei nahezu allgegenwärtigem Einsatz intelligenter Feldgeräte und IIoT-Geräte besteht eine anhaltende Nachfrage nach neuen und älteren Installationen, um herkömmliche kabelgebundene I/O-Punkte zu überwachen und zu steuern. Bei älteren Systemen sind diese an ein durch eine Steuerung verwaltetes I/O-System angeschlossen. Neuere I/O-Systeme bieten flexible Funktionen, um Design, Installation und Wartung zu vereinfachen, was Zeit und Geld spart.

Die neueste Generation von I/O-Systemen geht bis an die Grenzen und bietet mehr Konnektivität über Ethernet-Netzwerke für gleichartige Geräte, andere Geräte und Softwaresysteme und ist nicht an einen einzigen Master gebunden. Mit diesem neuen I/O lassen sich vollständig IIoT-fähige Automatisierungssysteme realisieren.

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Konnektivität

Industrielle Konnektivität ist für eine nahtlose Geräteintegration unerlässlich. Industrielle Automatisierung und Steuerung sind stark von Kabeln und Steckverbindern abhängig, um Daten, Strom und Befehle zwischen industriellen Maschinen innerhalb des Werks, der Cloud und der IT zu übertragen. Industrielle Umgebungen verlangen robuste, langlebige und leistungsstarke Konnektivitätsdesigns. Sie müssen ölbeständig sein, hohen Temperaturen standhalten und in der Schleppkette einwandfrei funktionieren.

Die Verdrahtung ist für die industrielle Automatisierung von grundlegender Bedeutung. An die Verdrahtung für Kommunikationsprotokolle werden in einer industriellen Steuerungsumgebung besondere Anforderungen gestellt. Schaltschränke erfordern Industriesteckverbinder, Anschlussdrähte, DIN-Schiene, Reihenklemmen und Kabelmanagement. Sensoren und Magnetspulen benötigen M8-, quadratische oder M12-DIN-Konfektionen, die von Verteilern begleitet werden. RJ45- und M12-8-Konfektionen sind aufgrund der stärker werdenden Akzeptanz von Ethernet-Kommunikation zunehmend im Werk zu sehen. Selbst drahtlose Anwendungen benötigen am Ende Drähte.

Ein typisches Kabel besteht aus einem Leiter, einem Schirm, einer Isolierung und einem Mantel. Ungeschirmte Twisted-Pair-Kabel (UTP) und geschirmte Twisted-Pair-Kabel (STP) sind die beiden primären Kabelvarianten, die in industriellen Umgebungen zum Einsatz kommen. Ein geschirmtes Kabel ermöglicht eine reibungslose Signalübertragung, da die Abschirmung das Kabel vor externen Funk- und Netzfrequenzstörungen schützt, ist jedoch mit höheren Kosten im Vergleich zu einem ungeschirmten Kabel verbunden.

Wärmeschrumpfschläuche schützen Kabel vor Chemikalien und unterschiedlichen Umgebungseinflüssen. Das vielseitige Produkt eignet sich auch für Farbcodierung, Zugentlastung und Bündelung. Es findet auch Verwendung als Zugentlastung für Durchführungen, an Steckverbinder-zu-Kabel-Übergängen und zur Abdichtung von rückseitigen Steckverbindern. Wärmeschrumpfschläuche werden auch als Schutzelement zum Bündeln loser Drähte oder Kabel verwendet.

Industriesteckverbinder sind in mehreren Anwendungen von entscheidender Bedeutung, darunter Werksumgebungen, Maschinen, Bergbau, geophysikalische Erkundung, Stromerzeugung/-verteilung, Landmaschinen und mehr. Industriesteckverbinder in schwerer Ausführung (HDC) sind eine konfigurierbare, vielseitige Lösung. Sie bieten die höchste Schutzart IP69K, 216 Kontakte und sind für den Einsatz in rauen Umgebungen geeignet. Die Stromstärke liegt in einem Bereich von 10 A bis 200 A. Das M8/M12-Steckverbindersystem bietet eine umfangreiche Auswahl an Steckverbindern, I/O-Modulen und Kabelkonfektionen.

Die modular aufgebauten Industriesteckverbinder (HDC) sind in hohem Maße konfigurierbar und robust und somit ideal für Robotik- und Automatisierungsanwendungen. Eine solche Ausführung verbindet Leistung mit bewährten Schnittstellentechnologien. Die Hauben und Gehäuse ermöglichen eine gerade und rechtwinklige Kabelausrichtung und bieten Schutz nach IP65 bis IP69K.

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Kommunikation

Industrielle Kommunikationssysteme bilden das Rückgrat jeder Automatisierungssystemarchitektur. Sie bieten ein robustes Verfahren für Datenaustausch, Flexibilität und Datenkontrollierbarkeit beim Vernetzen zahlreicher Geräte und sorgen für Datenintegrität sowie Echtzeitsteuerung in anspruchsvollen Umgebungen bei größeren Installationen. Damit hat die industrielle Vernetzung die Implementierung umfangreicher Kommunikationsprotokolle zwischen digitalen Steuerungen, zahlreichen automatisierungsbezogenen Softwaretools, Feldgeräten und auch externen Systemen eingeleitet.

Ein Kommunikationsprotokoll beschreibt digitale Nachrichtenregeln und -formate, die für den Austausch von Nachrichten zwischen Geräten benötigt werden. Diese werden über drahtlose oder kabelgebundene Kommunikationskanäle ausgeführt und sind in jedes beliebige komplexe automatisierte System integriert. Die meisten modernen automatisierten Systeme verwenden digitale, gemeinsam genutzte Kommunikationsnetzwerke mit verschiedenen Arten von Protokollen wie RS-485, PROFIBUS, EtherCAT PROFINET, CAN-Steuerung, Ethernet/IP, PowerLink, PROFINET, Modbus, Modbus™ TCP/IP und andere.

Sensoren, verschiedene Steuerungen (SPS, MMS, PLS) und Aktoren sind die niedrigsten Feldgeräte in der industriellen Automatisierung. Sensoren übertragen Diagnoseinformationen, Steuerungen berechnen solche bedingten Steuersignale und übertragen diese an Aktoren. Industrielle Steuerungen wie SPS, Computersysteme und dezentrale Prozessleitgeräte bilden die Steuerungsebene und verwalten Aufgaben wie das Konfigurieren der Automatisierungsgeräte, das Laden aller Prozessvariablendaten und Programmdaten, das Überwachen der Steuerung, das Anpassen von Einstellvariablen und das Archivieren von historischen Informationen.

Ethernet ist eine Art Netzwerktechnologie, die auf dem „Master-Slave“-Konzept basiert. Ein kabelgebundenes Netzwerk wird in einem lokalen Bereich innerhalb eines Gebäudes installiert. Das Netzwerk der Steuerungsebene aus industriellem Ethernet mit TCP/IP-Protokoll verbindet Steuergeräte mit den Rechnern.

Lokale Netzwerke (LANs) finden als Kommunikationsnetze breite Anwendung, um gewünschte Eigenschaften zu realisieren. Die Ethernet-Daten verbinden die Schichten innerhalb des Netzwerks. Dies funktioniert ähnlich wie eine physikalische Schicht und gibt vor, welche Steckverbindertypen, elektrischen Signale und Signalisierungsgeschwindigkeiten möglich sind.

Ethernet-Wide Area Networks (WANs) finden häufig Verwendung zum Datenaustausch im Rahmen der Werksplanung und -verwaltung. Ethernet-WANs nutzen das industrielle Gateway, um als Netzwerke auf Informationsebene zu arbeiten. Drahtlose Kommunikationstechnologien sind ideal für flexible und effiziente Automatisierungslösungen und zur Umgehung von Nachteilen im Zusammenhang mit der Verkabelung und damit verbundenen festverdrahteten Verbindungen. Basierend auf dem Abstand zwischen Sendepunkten und Empfangspunkten kommen hier mehrere Kommunikationsverfahren in Betracht. GSM oder CDMA eignen sich beispielsweise für längere Entfernungen, während Bluetooth, Wireless HART Zigbee und WiFi für kürzere Entfernungen infrage kommen. WiFi bietet eine hohe Bandbreite und lässt sich mühelos in IP-Netzwerke (Internet Protocol) integrieren. Bluetooth erfüllt verschiedenste Durchsatzraten und Stromverbrauchsanforderungen. Die Bluetooth Low Energy-Technologie lässt sich in Innenräumen durch die Aufstellung robuster batteriebetriebener Sender umsetzen, die bis zu ein Jahr lang laufen.

Ein 5G-Netzwerk ist ein Schlüsselfaktor in der industriellen Automatisierungsinfrastruktur, wobei die Fertigungsindustrie voraussichtlich in Richtung einer verteilten Produktionsorganisation gehen wird, die auf verbundene Waren (Produkten mit Kommunikationsfähigkeit), energiesparende Prozesse, kooperative Roboter und integrierte Fertigungslogistik setzt. Ein System von Endbenutzereinheiten befindet sich an der Spitze der Netzwerkstruktur und nutzt durch das 5G-Netzwerk unterstütze End-to-End-Kommunikationsdienste. Ein solches Netzwerk ermöglicht eine horizontale Kommunikation innerhalb einer vertikalen Struktur und über eine vertikale Struktur hinweg.

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Stromversorgung

Industrielle Stromversorgungsnetze stellen eine hochgradig verfügbare feste 24-V-DC-Versorgungsspannung innerhalb festgelegter Grenzen bereit. Die Ausgangsspannung wird aus verschiedenen Versorgungsquellen, darunter AC- und DC-Netze, 1-Phasen- und 3-Phasen-Stromversorgung bis 500 V AC, erzeugt.

Eine Vielzahl von Stromquellen wird benötigt, um industrielle Maschinen zu betreiben, typischerweise um Hochspannungs-AC in Niederspannungs-DC umzuwandeln, damit speicherprogrammierbare Steuerungen, I/O und MMS-Geräte mit Strom versorgt werden können. Der Unterschied zwischen der Stromversorgung in gewerblichen und industriellen Anwendungen liegt in funktionskritischen Anwendungen an Produktionsstandorten nach Class 1 Div 2 (explosionsgefährdete Bereiche) oder auch in extremen Temperaturen von -40 °C bis +70 °C.

Schaltnetzteile (SNT) und lineare Netzteile sind zwei Hauptmethoden zur Steuerung einer geregelten DC-Stromversorgung. Das äußerst effiziente, kompakte und leichte SNT zeichnet sich durch kleinere Formfaktoren und direkte Parallelschaltung durch integrierte ORing-MOSFETs aus. Durch die äußerst hohe Schaltfrequenz von Halbleitern verwandeln sie die AC-Eingangsleistung in Hochfrequenzleistung. Das SNT bietet erweiterte Funktionen zur Verbesserung der Maschinenzuverlässigkeit, der elektrischen Sicherheit und der parallelen Redundanz von Komponenten und Nebensystemen. Darüber hinaus können industrielle Netzteile die Fähigkeiten, die für die sich entwickelnde industrielle Digitalisierungsinfrastruktur der Smart Factory- und der Industrie 4.0-Initiativen erforderlich sind, zukunftssicher bereitstellen.

AC/DC-Netzteile und DC/DC-Wandler sind in verschiedenen Formaten mit unterschiedlichen Größen, Kapazitäten und Formen erhältlich, um nur einige Parameter zu nennen. Endanwendungen benötigen möglicherweise eine Kombination aus AC/DC- und DC/DC- oder nicht isolierten Point-of-Load-Wandlern, um die unterschiedlichen Stromversorgungs-, Elektrosystem- und Isolierungsanforderungen von Subsystemen wie Steuerelektronik, Batterieladesystem und Kommunikationsanschlüssen zu unterstützen.

AC-Netzteile und DC/DC-Wandler sind in Open-Frame-, Leiterplattenmontage-, Chassismontage-, Bodenplattenkühlungsformaten oder Gehäusen in das Endgerät integriert oder können für bestimmte Anwendungen entwickelt werden. Entwicklungen wie ZVS- (Nullspannungsschalten) und ZCS- (Nullstromschalten) Resonanztopologien und Synchrongleichrichtungsanwendungen bieten eine reduzierte Wärmeableitung und einen höheren Wirkungsgrad bei der Leistungsumwandlung.

Bei der Auswahl von Stromversorgungslösungen müssen viele Faktoren wie Größenanforderungen, integrierter Überstrom-, Kurzschluss-, Übertemperaturschutz und Leistungsfaktorkorrektur für ihren Betrieb in gefährlichen Umgebungen berücksichtigt werden. Spezielle industrielle Steckverbinder wurden entwickelt, um Geräte in rauen, extremen Umgebungen sicher und zuverlässig mit Strom zu versorgen. Es sind verschiedene Netzteilmodelle erhältlich, die entweder UL-, CSA- und VDE-Normen oder EN-Normen entsprechen.

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Sicherheit & schutz

Der Schaltungsschutz ist ein entscheidender Bestandteil jeder industriellen Anlage. Es ist wichtig, nationale Bestimmungen einzuhalten und Anlagen, Prozesse und Menschen vor überschüssiger Energie zu schützen, da es sonst zu Schäden und Sicherheitsproblemen kommen kann.

Zuverlässige Schutzbausteine sichern und überwachen die Umgebungen von Systemen, ohne die normale Funktion zu beeinträchtigen. Integrierte Schutzschaltungen bieten robuste, einfach zu implementierende und leistungsstarke Lösungen, die schnell auf gefährliche Ereignisse reagieren (falls diese auftreten). Diese Schaltungen sind kompakt und energieeffizient und gewährleisten einen stabilen Betrieb über einen längeren Zeitraum, wodurch sie für industrielle Anwendungen von unschätzbarem Wert sind.

Überströme oder ungewöhnliche Zustände können sich gravierend auswirken. Zu den Folgen gehören Ausfälle der Leiterisolation, Geräteschäden, Brände, Personenschäden, Stromschläge und Sachschäden. Ein Gerät befindet sich in einem Überlastzustand, wenn es über seiner Volllastgrenze arbeitet oder ein Leiter mit zu hoher Stromstärke betrieben wird. Eine anhaltende Überlast kann zu einer Ansammlung gefährlich hoher Erhitzungszustände in Leitern und Lasten im Stromkreis führen. Schutzschalter werden als Absicherung gegen solche gefährlichen Bedingungen eingesetzt.

Ein Kurzschluss beschreibt einen Überstromzustand, bei dem der Strom die Vollaststromstärke der Schaltung überschreitet und in relativ kurzer Zeit auftritt. Diese Art von Fehlerzustand entsteht, wenn Strom von seinem Stromverlauf abweicht.

Sicherungen dienen als gezielte Schwachstelle in einer elektrischen oder elektronischen Schaltung. Die stromempfindlichen Bausteine bieten einen zuverlässigen Schutz für diese Schaltungen, wenn Überstrom- oder Überlastbedingungen auftreten. Der Strom, der unter normalen Bedingungen durch ein Sicherungselement fließt, ist kleiner oder gleich seinem Nennstrom. Bei jedem Fehlerzustand erhöht sich der durch das Sicherungselement fließende Strom schnell und öffnet die Schaltung.

Überstromschutzeinrichtungen mit positivem Temperaturkoeffizienten (PTC) reagieren schnell auf einen Temperaturanstieg. Unter normalen Bedingungen haben sie aufgrund ihres minimalen Widerstandes so gut wie keinen Einfluss auf die Schaltung. Bei Überstrombedingungen schaltet der PTC-Baustein von seinem normalen niederohmigen Zustand in seinen hochohmigen Zustand und wird dann im Nach-Überstromzustand wieder in seinen normalen niederohmigen Zustand „zurückgesetzt“.

Überspannungen sind ein Hauptgrund für Ausfälle elektrischer Geräte. Eine transiente Überspannung beschreibt einen plötzlichen Anstieg des Leistungsflusses. Transiente Überspannungen stammen aus vielerlei Quellen, wobei die häufigsten interne Quellen sind, wie Lastschaltung und sogar normaler Gerätebetrieb. Ein Überspannungsschutzbaustein (SPD) wird parallel zu dem durch ihn zu schützenden Gerät verdrahtet, sodass die Impedanz bei einem Spannungsstoß innerhalb von wenigen Nanosekunden reduziert und somit der Impulsstrom abgeleitet wird.

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