Entwicklung, Bewertung und Umsetzung einer Migrationsvariante von Simatic S5 nach Simatic S7, unter Berücksichtigung von Aufwand, Sicherheit und Kosten

von Vincenzo Amorelli, Sascha Niedersätz und Stephan Willaczek in Zusammenarbeit mit Voith Paper GmbH, Heidenheim






Überblick

1996 leitete Siemens mit der Simatic S7 ein neues Zeitalter der Speicherprogrammierbaren Steuerung ein. Dies hatte die Abkündigung der alten Simatic S5 zur Folge, die ab einem bestimmten Zeitpunkt nicht mehr lieferbar sind.

Aufgabenstellung:
  • Recherche bestehender Simatic S5 Hardware unter Betrachtung der umgesetzten Systemaufbauten
  • Ausarbeitung und Bewertung der verschiedenen Migrationsvarianten
  • Aufbau Testapplikation S5/S7
  • Automatische Protokollierung des Funktionsvergleiches S5/S7-Software
  • Umsetzung des beschlossenen Konzeptes anhand von Hard- und Softwarekomponenten
  • Beschaffung der Hard- und Software
  • Simatic S5 nach Simatic S7
  • Erstellung der Gesamtdokumentation

Ausführung

1. Aufgabenstellung

Im Jahr 1996 leitete Siemens mit der Simatic S7 ein neues Zeitalter der Speicherprogrammierbaren Steuerung ein. Daraufhin erfolgte die Abkündigung der alten Simatic S5 Baugruppen. Sie waren deshalb ab einem bestimmten Zeitpunkt auch nicht mehr lieferbar. Dieses Problem wurde auch von Voith Paper erkannt. Weltweit sind von dieser Firma mehr als 2.800 Papiermaschinen mit der S5 Technologie in Betrieb. Um eine Sicherstellung der Verfügbarkeit dieser Anlagen zu gewähren, musste eine adäquate Migration gefunden werden.
Daraus ergab sich folgende Aufgabenstellung:
  • Recherche bestehender Simatic S5 Hardware unter Betrachtung der umgesetzten Systemaufbauten
  • Ausarbeitung und Bewertung der verschiedenen Migrationsvarianten
  • Testaufbau Hardware
  • Aufbau Testapplikation S5/S7
  • Automatische Protokollierung des Funktionalitätsvergleiches S5/S7-Software
  • Konzeptvorschlag zur Umsetzung mit Präsentation
  • Umsetzung des beschlossenen Konzeptes anhand von Hard- und Softwarekomponenten
  • Beschaffung der Hard- und Software
  • Simatic S5 nach Simatic S7
  • Erstellung der Gesamtdokumentation
Um den Ansprüchen von Voith Paper Rechnung zu tragen, musste die gefundene Lösung den folgenden Anforderungen gerecht werden:
  • Geringer Engineering Aufwand
  • Geringe Stillstandszeiten
  • Sichere Softwaremigration
  • Testaufbau / Protokollierung
  • Rücksprung auf S5 muss bei Inbetriebnahme gewährleistet sein

2. Warum Migration?
Durch die Abkündigung der Firma Siemens für die ca. 30 Jahre alten Baugruppen, Geräte, das Zubehör und die Software der Simatic S5, sollten die bestehenden Anlagen auf neue Hard- und Softwarekomponenten umgerüstet werden. Da diese mit zunehmendem Alter ihre Funktionalität und Zuverlässigkeit verlieren könnten, ist es ratsam, eine Migration durchzuführen. Hintergrund dieser Aussage ist die Herabstufung der Simatic S5 Komponenten zu Ersatzteilen.

3. Methoden
Jeder Programmierer kennt und versteht den Satz "Don´t touch a running system!" Begründet ist diese Aussage in der Erfahrung, dass nicht jedes Update/Upgrade in einem funktionierenden System zum Erfolg führt. Vielmehr kann der Totalausfall die Folge sein. Analoge Schlussfolgerungen kann man auch auf Migrationen übertragen. Hierbei wird ebenfalls ein komplettes System verändert, ohne die Gewissheit auf vollständige Funktionsfähigkeit zu haben. Um einen Teil der Probleme im voraus zu vermeiden, entscheiden sich viele Hersteller und Programmierer dazu, bei einer Migration die komplette Infrastruktur zu tauschen. Das heißt, Altes durch Neues zu ersetzen. Ohne zeitaufwändige Tests und Analysen der protokollierten Daten ist das jedoch nicht möglich. Das Unternehmen Voith hat im laufe der letzten Jahre nachfolgende drei Migrationsmöglichkeiten erarbeitet:
  • Loopweise
  • Spiegeln
  • Hard-&Software Tausch

4. Voith V57 0.3


Die Firmware der ABC-IT GmbH Zentralbaugruppe wurde entsprechend der von Voith gegebenen Anforderungen durch ABC-IT entsprechend erweitert. Beispielsweise wurden zwei zusätzliche Tabellen programmiert die fähig sind, 500 analoge und binäre Ausgangswerte der S5- und S7-Programme zu speichern. Werden diese Daten nicht ausgelesen und die Tabelle ist bereits beschrieben, werden die Daten überschrieben, wobei die digitalen Werte gegenüber den analogen Priorität haben.



5. Untersuchung




Anhand des Bildes lässt sich erklären welchen Verlauf jede einzelne Information die in der CPU geschrieben wird duchläuft.


Nach dem der analoge oder digitale Wert der Anlage in den CPU Stack geschrieben wurde, wartet er von der Voith Siglog Anwendung in den PC eingelesen zu werden. Dies geschieht nur wenn diese auch in der Symboltabelle des Step7 Programmes deklariert wurde. Ist der Stack mit 500 Werten vollgeschrieben werden die alten von den neuen Daten einfach überschrieben (Step1).

Gleichzeitig mit der Firmware der Voith V57 0.3 wurde die Voith SigLog Software entwickelt, die die zentrale Verbindung zwischen der CPU und weiteren Softwaretools ermöglicht. Diese wurde von ABC-IT eigens für die Voith V57 0.3 programmiert und befindet sich in der neunten Entwicklungsphase. Sie ist die Intelligenz und die Kommunikationszentrale vom ganzen Projekt und hat die Aufgabe, die CPU Werte in einen Rechner zu importieren, sie zu analysieren, zu ergänzen und zu verteilen. Wurde ein .seq-File der Symboltabelle durch den Programmierer angelegt, ist es Voith SigLog möglich, die ausgelesenen absoluten Adressen der Daten mit symbolischen Namen zu ergänzen. Dadurch wird eine bessere Übersicht bei den weiteren Analysen erreicht. Besteht kein Eintrag in der Symboltabelle, wird dieser auch nicht von der Software eingelesen und ergänzt. Zum exakten Vergleich der jeweiligen Ausgangsdaten ist eine präzise Zeitzuordnung notwendig. Um diese reale Zeit zu berechnen, bezieht das Programm die Systemzeit in Millisekunden aus dem installierten Betriebssystem (MS Windows XP) und addiert die ausgelesene Zykluszeit der CPU. So wird z.B. aus 23ms. die Uhrzeit 14:57:47:032 (Systemzeit 14:57:47:009 + 23ms der CPU = die neue reale Zeit 14:57:47:032 Uhr). Sind diese Ergänzungen getätigt, exportiert Voith SigLog die Daten in eine Datenbank, hier MySQL und OnView (Step2).

MySQL ist nicht nur eine kostenlose Anwendung, sondern sie besitzt auch eine wesentlich größere Speicherkapazität von maximal 2 Terabyte (TB). In MySQL wird ein Container namens SigLog erstellt. Darin befinden sich zwei Tabellen (s5processvalue und s7processvalue). Diese beinhalten die Daten der S5- und S7-Simulation, die von der Voith SigLog Software protokolliert werden. Für eine bessere Verifizierung der Werte können die Daten exportiert werden. Hierfür ist es in MySQL möglich, die Tabellen als CSV-, HTML-, XML-, Excel- oder PLIST-Dateien zu exportieren.

Die Analyse der Informationen in der Datenbank erfolgt durch den Vergleich der erzeugten S5- und S7-Tabellen miteinander. Dazu wurden passende Debugger programmiert (Step3).
V57 Debugger ist eine Anwendung, die in C-Sharp programmiert wurde. Diese kann *.csv, *.txt oder *.sql Dateien lesen und auswerten, um differente Werte in einer neuen Datei zu protokollieren. Das Programm vergleicht die einzelnen Einträge auf absolute Namen, symbolische Namen, Zeit und Value. Findet das Programm übereinstimmende Eintragungen, die den identischen absoluten und symbolischen Namen mit demselben Zeiteintrag, jedoch unterschiedliche Prozesswerte haben, werden diese in eine Ausgangstabelle (V57_Auswertung.csv oder debugging_process_values.csv) übertragen. Bei gleichen Datensätzen von S5 und S7 erfolgt kein Eintrag, da hier die Konvertierung bereits erfolgreich war. Diese Anwendung kann in zwei Varianten vollzogen werden. Entweder vom V57_M_Debugger (manueller Debugger) oder der V57_A_Debugger (automatischer Debugger). Ist die Untersuchung abgeschlossen, kann der Anwender nun diese Datei analysieren und die Prozessfehler beheben (Step4).

Die OnView Plattform ist ein Trendsystem des Unternehmens Voith, das Hard- und Software miteinander verbindet. Sie besteht aus einer leistungsfähigen Datenbank, die einen einfachen und schnellen Zugriff auf historische sowie aktuelle Daten möglich macht. Des Weiteren sind Analysen, Beobachtungen und Berichte über ein- und denselben Zugang abrufbar und steuerbar. Indem Maschinen-, Prozess-, und Qualitätsdaten in leistungsfähigen Trends, Profilen und Color Maps visualisiert werden, sind die Ursachen für Maschinen- und Prozessverhalten leicht erkennbar (Step4).


6. Zusammenfassung/Ausblick
Ziel dieser Technikerarbeit war es, eine Lösung zu finden, mit der man schnell und sicher die Migration der Steuerung Simatic S5 nach Simatic S7 durchführen kann. Das musste unter Berücksichtigung der von Voith vorgegebenen Anforderungen geschehen. Nun kann Voith Paper eine effektive und konkurrenzfähige Migrationslösung auf dem Weltmarkt anbieten. Um ein Gefühl für diese Aufgabe zu erhalten, mussten Recherchen über die Problematik bzw. über die Aufgabe durchgeführt werden. Informationen und Lösungsvarianten zu sammeln waren die ersten Schritte, die gemacht wurden. Internet und hausinterne Nachforschungen erwiesen sich als große Erleichterung und Hilfe, da nicht nur wir uns mit der Problematik auseinander gesetzt hatten. Das Projekt nahm immer mehr Gestalt an und nach einer Präsentation bei Herrn Klotzbücher, Leiter der Entwicklungsabteilung, wurde das Konzept des CPU-Tausches beschlossen. Es folgten Aufbauten, unzählige Tests und aufwändige CPU-Firmware Anpassungen, bis die ausgesuchte ABC-IT CPU den Anforderungen gerecht wurde. Um eine genaue Verifizierung des Mischbetriebes zu ermöglichen, kamen mehr und mehr Anwendungen ins Spiel. So entstanden zwei Tabellen in der CPU, die in der Lage waren, digitale und analoge Ausgänge zu protokollieren: Voith SigLog, die diese Werte auslesen und ergänzen kann, sowie die Anbindung der MySQL Datenbank und der Vergleichssoftware V57_Debugger. Zeitgleich mit den Untersuchungen entstanden auch das Technikermodell und diese Dokumentation.
Das Ziel unserer Technikerarbeit ist somit erfüllt, wir haben eine geeignete Migrationsmethode gefunden und die von Voith vorgegebenen Anforderungen erfüllt. So ist die V57 0.3 in Zusammenarbeit mit den Softwareprodukten Voith SigLog, Voith OnView und Voith V57_Debugger eine einmalige Migrationslösung, die auf dem Weltmark ihres Gleichen sucht. Und gerade auf diesem Weltmarkt soll unsere Lösung ihre Position finden. Mit weltweit geschätzten 5.000 Anlagen will Voith innerhalb von wenigen Jahren nicht nur sein Produktportfolio erweitern, sondern auch sein Umsatz um zirka zwei Millionen Euro erhöhen. Um dies zu ermöglichen und um sich in der Papierindustrie zu etablieren, wird die Voith V57 0.3 momentan zu Testzwecken bei STORA ENSO in Karlsruhe-Maxau eingesetzt. Von hier aus wird ihre Laufbahn als ideale Migrationsmethode starten. Neue Verkaufsgespräche sind am laufen, um sie in weiteren drei Anlagen in Deutschland zu verwenden. Doch Voith währe nicht Voith wenn sie sich auf ihren Lorbeeren ausruhen würden. Bereits heute wird an einer Erweiterung gearbeitet, die den Einsatz von PCS7 ermöglichen soll, um so Voith weiterhin konkurrenzfähiger als der Wettbewerb zu machen, ganz im Sinne der Firmen Philosophie: