Transparenter Fertigungsprozess
Vom Sensor zum Server
Mit dem Siemens Microsoft industrial automation POC (Proof of Concept) zeigen die beiden Unternehmen wie mit modernster Technik und einem sicheren Datenaustausch in harter Echtzeit zwischen Fertigungsbereich und server-basierter Leitebene Unternehmen wettbewerbsfähiger gemacht werden können. POC wird derzeit weiterentwickelt und z.B. auf der SPS/IPC/Drives 2010 in Nürnberg auf dem Microsoft-Stand gezeigt.
Steigende Kundenanforderungen, Globalisierung, kürzere Produktlebenszyklen, ständig ändernde Marktanforderungen und zunehmender Wettbewerbsdruck sind die größten Herausforderungen heutiger Unternehmen. Diesen Herausforderungen können sich Fertigungsunternehmen stellen mit einem durchgehenden und sicheren Datenaustausch von der Fertigungsebene bis hin zur Unternehmensleitebene. Mit dem ‚Siemens Microsoft industrial automation POC‘ (Proof of Concept), das zum ersten Mal auf der Hannover Messe 2010 vorgestellt wurde, zeigen Microsoft und Siemens, wie Fertigungsunternehmen mit moderner Technik und einem sicheren Datenaustausch in harter Echtzeit zwischen Fertigungs- und Unternehmensleitebene ihre Produkte schneller auf den Markt bringen, die Entwicklungskosten reduzieren sowie Produktivität und Effizienz erhöhen können. Mit Automatisierungsprodukten von Siemens und Windows Embedded Technologie von Microsoft demonstriert das Konzept eine durchgehende Kommunikation zwischen Fertigungsebene und Server-basierter Leitebene.
Windows Embedded
Die Windows Embedded Software-Plattformen unterstützen Industriebetriebe bei der Vernetzung von der Produktionsstätte mit Backend-Systemen, um Anlagen schnell und zuverlässig in Betrieb zu nehmen. Windows Embedded bietet Entwicklungswerkzeuge bei der Entwicklung von zuverlässigen Echtzeit-Lösungen für die Industrie – vom Sensor bis zum Server. Dabei ist ein umfassender Support gewährleistet. Windows Embedded Standard 7 ist komponentenbasiert und liefert die vom PC bekannte Leistung des Betriebssystems Windows 7. So lassen sich eine Vielzahl von Hardware sowie Software- und Dienste-Anwendungen mit geringen Entwicklungskosten auf den Markt bringen. In Kombination mit Lösungen basierend auf Windows Embedded CE und Windows Embedded Server lassen sich Geräte zur Steuerung der Produktionsprozesse problemlos mit dem Business-Intelligence-Netzwerk verbinden. Fertigungsanlagen können schnell neu konfiguriert werden, um den Bedürfnissen des Marktes gerecht zu werden. Die komponentenbasierte Windows Embedded CE-Plattform ermöglicht Herstellern den Einsatz von Bedienelemente, Smart IO, lokale HMI-Systeme, SPSen und kleinen, robusten Geräten. Die Echtzeit-Fähigkeit von Windows-Embedded CE kombiniert mit den neuesten Windows 7-basierten Technologien sorgen in Windows Embedded Standard 7 für hohe Effizienz und sicheren Betrieb.
Entwicklungskosten senken
Zum Einsatz beim Siemens Microsoft industrial automation POC kommen unterschiedliche Simatic Industrie-PCs wie 19″ Rack PCs, Box PCs, Embedded PCs, modulare Embedded Controller S7-mEC, mobile Panels, Flat Panel Monitore und die Software PLC Simatic WinAC RTX F. Außerdem sind die neuesten Windows Embedded Technologien in POC enthalten. Dazu gehören Windows Embedded Standard 7, Windows Embedded Enterprise (die voll funktionsfähige Version von Microsofts Desktop Betriebssystem für den Einsatz in Embedded-Lösungen), Windows Embedded CE (die Software für die schnelle Entwicklung von vernetzten, in Echtzeit arbeitenden Unternehmenslösungen) und Windows Embedded Server. Anhand eines nachgebildeten Fertigungsunternehmens wird die komplette Wertschöpfungskette dargestellt, angefangen beim Wareneingang, der Materialwirtschaft, über die Montagelinien bis hin zur Qualitätskontrolle. Anwendungen aus der Industrieautomatisierung zusammen mit Windows Embedded Standard 7, Windows CE 6.0 R3 und anderen Windows Embedded-Betriebssystemen ermöglichen die „Innovative Production Line“, eine Konzept-Demo, die sich mit anderen Unternehmensgeräten wie eingebetteten Servern oder tragbaren Geräten verbindet. So sind datenverarbeitende Sensoren und intelligente Geräte in den Fabrikhallen sowie serverbasierte Business Intelligence-Anwendungen in IT-Rechenzentren möglich. Die Vorteile für die Hersteller liegen in der Transparenz der Prozesse von der Materialbestellung bis hin zur Warenlieferung, über Prozessoptimierung und Produktivitätssteigerung. Die Kundenaufträge lassen sich von Station zu Station verfolgen, von der Fertigung über die Montage bis hin zum Test. Auch Themen wie Product Lifecycle Management, Safety, Nachverfolgbarkeit werden von POC abgedeckt. Intelligente Power-Management APIs vereinfachen die Entwicklung von Green IT Lösungen.
Transparenter Fertigungsprozess
Durch den kontinuierlichen Datenaustausch in harter Echtzeit zwischen den Sensoren, den Geräten im Fertigungsbereich und den Servern auf Unternehmensleitebene wird der Fertigungsprozess transparent. Menschliche Eingriffe und damit auch Produktionsausfälle werden reduziert.
Interaktion mit der Bedienoberfläche
Höhere Speicherdichte
Ein effizientes Bedienen und Beobachten gewährleistet das moderne NUI-Design, das auf Windows Touch basiert. Durch Multitouch-Funktionalität und Gestensteuerung ermöglichen Natural User
Interfaces (NUI) eine direkte Interaktion mit der Bedienoberfläche. Multitouch-Oberflächen oder Multiuser-Interfaces wie Windows 7 erlauben es, neue Mensch-Computer Interaktionen zu kreieren, die für den Menschen wesentlich natürlicher sind und somit effizienter und produktiver. Die Einarbeitungszeiten sind geringer, die Genauigkeit der Benutzer-Maschine-Interaktionen höher. Der Prototyp eines Breitband-Flachbildschirms mit einem Zehn-Finger-Multitouch-Display von Siemens ermöglicht einen Eindruck von NUI. Eingabegeräte wie Tastatur oder Maus sind nicht mehr erforderlich, eine Fingerberührung genügt. Da das Berühren und Beeinflussen der virtuellen Objekte in vergleichbarer Weise wie das reale Objekte funktioniert, fällt es den Nutzern leicht, Handlungen aus dem Betriebsalltag in das digitale System zu übertragen. Die Entwicklung weg von Eingabegeräten wie einer Maus und hin zu Multitouch bringt die reale und die virtuelle Welt näher zusammen. POC nutzt die Kommunikationsinfrastruktur WCF (Windows Communication Foundation). Diese Kommunikationsinfrastruktur für die Webdienstarchitektur verbindet Geräte in der Fertigung untereinander und mit den Servern und ermöglicht die Fernbedienung von Silverlight-basierenden Benutzerschnittstellen. WCF liefert ein offenes Standardprotokoll, das Endnutzern ermöglicht, Geräte bequem auf die neue Version zu migrieren.
Windows Embedded Compact 7
Windows Embedded Compact 7 ist die nächste Generation von Windows Embedded CE. Mit dieser neuen Version stellt Microsoft umfassende Möglichkeiten für die Entwicklung vernetzter Geräte zur Verfügung. Compact 7 unterstützt MultiCore- und ARM Prozessoren sowie Tools wie Platform Builder, Visual Studio, Expression Blend und Silverlight für Windows Embedded. Geräte basierend auf Windows Embedded Compact 7 sollen insbesondere multimedial einsetzbar sein und sich problemlos mit Windows 7-basierten PCs, Servern und Online-Diensten vernetzen können. Inhalte können zwischen vernetzten Geräten verschoben und verwaltet werden, die mit den Spezifikationen der Digital Living Network Alliance (DLNA) kompatibel sind – dazu zählen aktuelle HDTVs und eine neue Medienbibliothek.
Lange Wartungsintervalle sind überaus wichtig
Zuverlässigkeit und Leistungsfähigkeit waren bei Projektbeginn die obersten Systemsoftwareprioritäten. Die Zugänglichkeit von Offshore-Windparks hängt beispielsweise stark von den Wetterbedingungen ab. Es ist überaus wichtig, dass die Ausrüstung mit langen Wartungsintervallen betrieben werden kann. Selbst bei normalen Betriebsbedingungen ist die Windparkausrüstung Wasser, Salz und Wetterbedingungen wie extremen Temperaturen ausgesetzt. Betreiber müssen einen Weg finden, den Zustand von Park und Ausrüstung kontinuierlich zu überwachen um dann bei Bedarf die Ausrüstung von Land aus fernzusteuern. Aus diesem Grund müssen die Mess-, Überwachungs- und Steuerungsanwendungen sowie die Systemsoftware, die ihnen zugrunde liegt, äußerst zuverlässig sein. Um die Effizienz zu verbesssern, erfordern große Windkraftanlagen Bewegungssteuerungssysteme. So können elektromechanische Prozesse auf Basis von Windstärke, Windrichtung und anderen physischen Bedingungen automatisiert werden. Weiterhin müssen die Mess-, Überwachungs- und Steuerungssysteme an Bord der Turbinen in Millisekunden-Zyklen operieren. Ein echtzeitfähiges System ist erforderlich, um Vorhersehbarkeit und Determinismus sicherzustellen. Weiterhin wird durchgehende Konnektivität gefordert, damit der PC-Controller an der Turbine, mit den Informationssystemen des Unternehmens an Land zum Zweck der Fernsteuerung, -wartung und -messung kommunizieren kann.
Standardisiert auf einer Softwareplattform
Zur Schaffung des „Gehirns“ der Offshore-Windturbinen kooperiert Areva Multibrid mit Beckhoff. Der Experte in den Bereichen Automatisierung und Echtzeitsteuerung empfahl eine Lösung, die auf Windows Embedded und dem Beckhoff Embedded-Controller CX1020 basiert. Die Windows-Technologie ermöglicht es, alle Steuerungs- und Kommunikationsanforderungen auf einer Softwareplattform zu standardisieren, von der Windturbine auf See bis hin zu den Datenbanken und Systemen an Land. Der Embedded-PC-Controller CX1020 von Beckhoff startet von einer Compact Flash Karte und erfordert keinen Lüfter oder andere rotierende Komponenten wie z.B. ein Festplattenlaufwerk. Dieses robuste Gerät verfügt über direkte I/O-Anschlüsse für die Anbindung der Sensoren und Aktoren und ist für raue Umgebungen konzipiert. Das Echtzeit-Betriebssystem Windows Embedded CE 6.0 R2 sorgt für die hohen Zykluszeiten, die von den Überwachungs- und SPS-Systemen an Bord der Turbine gefordert werden. So führt eine SPS bis zu drei Aufgaben parallel aus, in Zyklen von 1, 10 und 100ms. Der Vorteil des Systems: Das kleine, stabile und skalierbare Echtzeit-Betriebssystem, dem auch PC-artige Funktionalitäten wie FTP-Datenübertragung und graphische Benutzeroberfläche hinzugefügt werden können, liefert harte Echtzeit-Performance in komponentenbasierter Form, zusammen mit
der Vertrautheit und Stärke der Windows-Technologie.
Harte Echtzeit-Performance
Beckhoff stellt auf Basis von Windows Embedded CE wichtige internationale Standards zur Industrieautomatisierung bereit, u.a. IEC6-1131-3-kompatible Steuerungssoftware, eine weltweit gültige Norm für Programmiersprachen von speicherprogrammierbaren Steuerungen, und OPC-UA (Unified Architecture) für die sichere und schnelle Kommunikation zwischen den SPS-Embedded Controllern und den ERP-Enterprise Lösungen in den Unternehmen.
Völlig automatisiertes Steuerungssystem
Die Betriebs- und Überwachungssysteme an Bord der M5000 funktionieren wie erwartet. Die Steuerung der Anlage erfolgt vollautomatisch. Echtzeit-Messungen von Windstärke, Windrichtung, Lufttemperatur und einer Vielzahl weiterer Sensoren werden an den Rechner übermittelt, der damit die Aktoren der Turbine zur Erreichung höchster Energieausbeute steuert. Im Fernsteuerungsraum an Land überwachen Techniker die Aktivitäten an einem auf Windows basierenden Arbeitsplatzrechner. Microsoft .NET Framework und Microsoft Visual Studio bieten eine Entwicklungsumgebung zur Erstellung von „embedded“ und „non-embedded“ Anwendungslösungen. Zum Beispiel ermöglicht ein mittels Microsoft .NET Compact Framework entwickeltes integriertes Überwachungssystem für den Anlagenzustand eine genaue Analyse der Windparkkomponenten und eine zuverlässige Meldung von Unregelmäßigkeiten an Land befindlicher Systeme. Dies macht eine effiziente, langfristige Instandhaltungsplanung möglich.
Autor: Andrea Hackbarth
Kasten 1: Windows Embedded Standard 7 für Gerätehersteller
Die aktuellste Windows Embedded Software Plattform liefert die bekannten und zuverlässigen Features von Windows 7 in komponentenbasierter Form zur einfachen Geräteentwicklung. Mit Windows Embedded Standard 7 lassen sich Geräte wie Thin-Clients, Digital Signage-Anwendungen, Industriesteuerungen, Set-Top Boxen sowie Multimedia- und Fernsehgeräte entwickeln. Die spezialisierten Geräte können nahtlos mit allen Windows-PCs, Servern und Geräten mit Webzugang vernetzt werden. Die Softwareplattform Windows Embedded Standard 7, die seit September 2009 als Community Technology Preview verfügbar war, unterstützt OEMs bei der Entwicklung von Geräten im industriellen Bereich, die sich nahtlos mit anderen Geräten vernetzen lassen. So können Unternehmen die bereits bestehenden Management- und Netzwerkinfrastrukturen nutzen und erweitern. Mit Windows Touch ermöglicht die Plattform Benutzeroberflächen mit Multi-Gesten-Steuerung und kontextbewussten Anwendungen. Intelligente Power-Management APIs vereinfachen die Entwicklung von Green IT Lösungen. Neben Anwendungen im industriellen Bereich führen die Windows Media Center Features zudem Multimedia-Inhalte von unterschiedlichen Quellen zentral zusammen. So kann auf Daten aus dem Internet oder vom Fernseher, von sozialen Netzwerk-Portalen oder persönlichen Verzeichnisse mit Fotos, Musik und Videos mit Windows-PCs oder einzelnen Geräten zugegriffen werden. Sollte eine Embedded-Systemlösung in unterschiedlichen Ländern mit einer lokalisierten Betriebssystemoberfläche ausgeliefert werden, musste man bisher stets ein neues Images für die jeweilige Sprache generieren. Mit den neuen Tools wird erst ein Embedded-Core-Image erzeugt, um auf dessen Basis alle weiteren Sprachpakete und andere Komponenten zu installieren. Die mitgelieferten Templates wie Thin-Client, Industrial Automation, Minimum Configuration, etc. optimieren das Zusammenstellen der Konfiguration.
Kasten 2: Anwendung: Echtzeit-Embedded-Controller macht Offshore-Windenergie zuverlässig
Die raue Seeumgebung und die Unzugänglichkeit großer Windparks machen Zuverlässigkeit bei der Offshore-Windenergieerzeugung zu einem Hauptthema. Die AREVA Multibrid GmbH bekam 2007 den Auftrag, Windkraftanlagen der 5-MW-Klasse an Alpha Ventus zu liefern, Deutschlands erstem Offshore-Windpark. Bis zum Jahr 2030 sollen rund 5.000 Windkraftanlagen in über 20 Windparks in der Nordsee und Ostsee aufgestellt werden, die etwa 25.000 Megawatt oder 15 Prozent von Deutschlands gegenwärtigem Elektrizitätsbedarf liefern werden. Da sich dieser Offshore-Windpark auf offener See befindet, etwa 45 km nördlich der Insel Borkum, ist Zuverlässigkeit der Hauptentscheidungsfaktor für den langfristigen Erfolg des Projekts. Die Energieversorgungsunternehmen verlangen einen steten Fluss an Energieerzeugung, so dass Unterbrechungen inakzeptabel sind.
