PACs für die industrielle Steuerung und Regelung, die Zukunft der Automatisierungstechnik

Aufgrund der gestiegenen Anforderungen an Automatisierungssysteme und der Notwendigkeit, diese auf flexible und leistungsfähige Art und Weise um Anwendungen wie Bildverarbeitung, Motorsteuerung oder Datenanalyse zu erweitern, haben in den letzten zehn Jahren etliche Hersteller eine neue Klasse von Automatisierungssystemen entwickelt und etabliert. Diese Programmable Automation Controller (PACs) vereinen die Flexibilität und Leistungsfähigkeit von PCs mit der Robustheit und Zuverlässigkeit von speicherprogrammierbaren Steuerungen (SPSen). In diesem Whitepaper werden die Ursprünge der PACs, die Unterschiede zwischen PACs und SPSen sowie die Zukunft PAC-basierter Automatisierungssysteme vorgestellt.

PACs für die industrielle Steuerung und Regelung, die Zukunft der Automatisierungstechnik

Während der letzten zehn Jahre wurde viel über die Vor- und Nachteile der speicherprogrammierbaren Steuerungen (SPSen) im Vergleich zur PC-basierten Automatisierungstechnik diskutiert. Mit zunehmender Verringerung der technologischen Unterschiede zwischen PC und SPS, dem Einsatz handelsüblicher Hardware bei SPSen und der Integration von Echtzeitbetriebssystemen bei PC-Systemen hat sich nun eine neue Controller-Klasse etabliert, der PAC. PAC, ein von den Analysten der Automation Research Corporation (ARC) geprägtes Akronym, steht für "Programmable Automation Controller" und bezeichnet eine neue Generation von industriellen Steuerungssystemen, die die Funktionalität einer SPS mit der eines PCs vereinen. Das Akronym PAC wird bereits von einigen Anbietern herkömmlicher SPSen verwendet und beschreibt deren High-End-Systeme. Zudem verwenden es Unternehmen aus dem Bereich PC-basierter Steuerungen zur Beschreibung ihrer Automatisierungsplattformen.

Das Pareto-Prinzip: Die 80/20-Regel

Während der drei Jahrzehnte nach ihrer Einführung haben sich SPSen weiterentwickelt und ermöglichen inzwischen Analog-I/Os, die Kommunikation über Netzwerke und neue Programmierstandards wie IEC 61131-3. Jedoch erstellen Ingenieure 80 % der industriellen Applikationen mit digitalen I/O-Modulen, einigen wenigen analogen I/O-Punkten und einfachen Programmiertechniken. Experten der ARC, der Venture Development Corporation sowie von PLCS.net, einem Anbieter von Online-Schulungen zu SPSen, schätzen, dass:

• 77 % der SPSen bei kleinen Applikationen genutzt werden (weniger als 128 I/O),

• 72 % des SPS-I/O in digitaler Form vorliegt,

• 80 % der SPS-Applikationsanforderungen mit einem Satz aus 20 Kontaktplan-Befehlen gelöst werden.

Da 80 Prozent der industriellen Anwendungen mit herkömmlichen Systemen gelöst werden, besteht große Nachfrage nach einfachen, kostengünstigen SPSen. Dadurch wurde das Wachstum kostengünstiger Mikro-SPSen mit Digital-I/O, die die Programmiermethode Kontaktplan nutzen, vorangetrieben. Diese Nachfrage hat dazu geführt, dass die Entwicklung klassischer Steuer- und Regelungscontroller in zwei Richtungen betrieben wurde. Für 80 % der Anwendungen wurden sehr einfache und kostengünstige Systeme entwickelt, die einen eingeschränkten Leistungsumfang bereitstellen und über proprietäre Werkzeuge für bestimmte Aufgaben konfiguriert werden. Für die 20 % an Aufgaben, für die hochleistungsfähige Steuer- und Regelsysteme erforderlich sind, wurden dagegen spezielle Controller entwickelt, welche die schnelle Abarbeitung komplexer Regelalgorithmen erlauben. Diese Expertensysteme werden bei Bedarf um Funktionen wie Netzwerkfunktionalität oder die Verarbeitung von Analogwerten erweitert.

In den 80ern und 90ern haben die Anwender dieser leistungsfähigen Systeme den Einsatz von PCs für die Automatisierung in Betracht gezogen. Der PC lieferte die Softwarefunktionen zur Ausführung anspruchsvoller Aufgaben, bot eine grafisch reich gestaltete Programmier- und Anwenderumgebung und nutzte handelsübliche Komponenten, so dass Automatisierungstechniker die Vorteile der für andere Anwendungen entwickelten Technologien ausnutzen konnten. Zu diesen Technologien zählen Fließkommaprozessoren, Hochgeschwindigkeits-I/O-Bussysteme wie PCI und Ethernet, ein nicht flüchtiger Datenspeicher und Softwarewerkzeuge zur grafischen Entwicklung. Der PC liefert zudem eine unvergleichliche Flexibilität, hoch produktive Software und fortschrittliche, kostengünstige Hardware.

Allerdings waren PCs aufgrund fehlender Robustheit, Stabilität und der Tatsache, dass sie die Algorithmen nicht deterministisch ausführten, für viele Automatisierungsanwendungen nicht die geeignete Wahl. Wenn auch etliche Ingenieure den PC zur Eingliederung erhöhter Funktionalität wie beispielsweise analoger Steuerung/Regelung und Simulation, Datenbankanbindung, webbasierter Funktionalität und Kommunikation mit Geräten von Drittanbietern nutzten, spielten SPSen im Steuerungsbereich immer noch eine führende Rolle.

Der PC stellte den Anwender vor drei Herausforderungen:

1. Stabilität: Häufig war das universelle Betriebssystem des PCs nicht stabil genug für die Automatisierung. PC-gesteuerte Anlagen mussten Systemabstürze und ungeplante Neustarts bewältigen.

2. Zuverlässigkeit: Aufgrund rotierender magnetischer Festplatten und nicht hochbelastbarer Komponenten wie z. B. Netzteilen waren PCs anfälliger für Fehler.

3. Ungewohnte Programmierumgebung: Anlagebetreiber mussten ein System für Wartungen oder zur Fehlerbehebung ausschalten können. Unter Einsatz der Programmiermethode Kontaktplan können sie Probleme manuell beseitigen. Jedoch verlangen PC-Systeme, dass die Bediener neue, anspruchsvollere Werkzeuge beherrschen.

Obgleich einige Ingenieure spezielle Industriecomputer mit robuster Hardware und besonderen Betriebssystemen verwendeten, mieden die meisten aufgrund von Problemen mit der Zuverlässigkeit den Einsatz des PCs für Automatisierungsanwendungen. Des Weiteren hatten die Geräte, die innerhalb eines PCs für verschiedene Automatisierungsaufgaben wie I/O, Kommunikation oder Motorsteuerung eingesetzt wurden, oft unterschiedliche Entwicklungsumgebungen.

So verzichteten die Anwender solch integrierter Automatisierungsanwendungen entweder auf die Funktionalität oder sie behalfen sich damit, ein System zusammenzuzimmern, das aus einer SPS für den Steuerungsteil und einem PC für die erweiterte Funktionalität bestand. Aus diesem Grund sind an vielen Produktionsstätten SPSen vorhanden, die in Verbindung mit PCs zur Datenprotokollierung, zur Anbindung an Barcodescanner, zum Einfügen von Informationen in Datenbanken und zur Einstellung von Daten ins Internet genutzt werden. Das große Problem bei dieser Art des Aufbaus besteht darin, dass sich diese Systeme oft nur schwer erstellen lassen und Fehlerbehebung und Wartung schwierig sind. Es bleibt dann häufig dem Systementwickler überlassen, Hard- und Software mehrerer Hersteller zu integrieren, was eine Herausforderung darstellt, da die Ausrüstung nicht aufeinander abgestimmt ist.

Eine neue Generation von Automatisierungscontrollern

Da eine klare PC- bzw. SPS-Lösung fehlte, arbeiteten Ingenieure, die komplexe Anwendungen umsetzen mussten, eng mit Anbietern von Automatisierungssystemen zusammen, um neue Produkte zu entwickeln. Sie forderten die Möglichkeit, die fortschrittlichen Softwarefunktionen des PCs und dessen Leistungsfähigkeit mit der Zuverlässigkeit der SPS zu verbinden. Diese wichtige Kundengruppe half Unternehmen aus dem Bereich SPS- und PC-basierter Steuerung bei der Produktentwicklung.

Die Softwarefunktionen erforderten nicht nur hoch entwickelte Software, sondern auch eine Zunahme der Hardwarefunktionen der Controller. Im Kampf um Marktanteile und neue Kunden begannen Hersteller von PC-Komponenten damit, ihre Produkte für industrielle Anwendungen umzugestalten. Derzeit integrieren Anbieter von Automatisierungssystemen industrietaugliche Ausführungen von Fließkommaprozessoren, DRAM, Halbleiterspeichern wie z. B. CompactFlash und schnellen Ethernet-Chipsätzen in Produkte für die industrielle Steuerung. Dadurch können Anbieter von Automatisierungssystemen robuste PC-basierte Systeme entwickeln, die zur Gewährleistung einer höheren Robustheit und Zuverlässigkeit darüber hinaus mit einem Echtzeitbetriebssystem ausgerüstet werden.

Die neuen Controller, die speziell für die 20 % der Anwendungsfälle entwickelt wurden, in denen höchste Leistungsfähigkeit, Flexibilität und Integration gefordert sind, vereinen die besten SPS-Eigenschaften mit den besten PC-Funktionen. Sie wurden von den Marktanalysten der ARC "programmable automation controllers" bzw. PAC genannt. In ihrer Studie "Programmable Logic Controllers Worldwide Outlook" ermittelte ARC fünf Hauptmerkmale von PACs. Diese Kriterien kennzeichnen die Funktionalität des Controllers, indem sie die Softwarefunktionen bestimmen:

1. "Integration mehrerer Automatisierungsdisziplinen auf einer Plattform, und zwar mindestens zwei der folgenden: Logik, Motorensteuerung, PID-Regelung, Antriebs- und Prozesssteuerung." Mit Ausnahme einiger Abweichungen bei I/O, um das Ansprechen bestimmter Protokolle wie SERCOS zu ermöglichen, sind Logik, Motorensteuerung, Prozesssteuerung und PID lediglich eine Funktion der Software. So ist beispielsweise die Motorensteuerung eine Regelschleife der Software, die Digitaleingangssignale von einem Inkrementaldrehgeber liest, analoge Regelschleifen ausführt und ein Analogsignal ausgibt, um einen Antrieb zu steuern.

2. "Eine einzige, zahlreiche Disziplinen umfassende Entwicklungsplattform, die eine gemeinsame Identifizierung und eine einzige Datenbank für den Zugriff auf alle Parameter und Funktionen umfasst." Da PACs für anspruchsvollere Anwendungen wie beispielsweise Regelungssysteme, die mehrere Automatisierungsdisziplinen vereinen, entwickelt wurden, benötigen sie fortschrittlichere Software. Damit sich der Systementwurf effizient gestaltet, ist als Software ein einziges integriertes Softwarepaket nötig und keine unterschiedlichen Softwaretools, die nicht darauf ausgelegt sind, ein nahtloses Zusammenarbeiten zu gewährleisten.

3. "Softwaretools, die eine Entwicklung gemäß dem Arbeitsablauf auf mehreren Maschinen oder Prozesseinheiten ermöglichen, samt IEC 61131-3, Benutzerführung und Datenverwaltung." Ein weiteres Element, das den Systementwurf einfacher gestaltet, sind die hochwertigen grafischen Entwicklungswerkzeuge. Sie vereinfachen die Umsetzung des Konzepts, das der Ingenieur hat, in Code, der dann die Maschine steuert.

4. "Offene, modulare Architekturen, die Industrieanwendungen widerspiegeln, angefangen bei der Maschinenanordnung in Fabriken bis hin zu Grundprozessen bei verfahrenstechnischen Anlagen." Da alle Industrieapplikationen eine erhebliche kundenspezifische Anpassung erfordern, muss die Hardware Modularität bieten, damit der Anwender die geeigneten Komponenten auswählen kann. Die Software sollte es dem Anwender ermöglichen, Module zu ergänzen und zu entfernen, damit er das gewünschte System erstellen kann.

5. "Einsatz von De-facto-Standards für Netzwerkschnittstellen, Sprachen usw. (z. B. TCP/IP, OPC und XML sowie SQL-Abfragen)." Die Kommunikation mit firmeninternen Netzwerken ist für moderne Steuer- und Regelsysteme von entscheidender Bedeutung. Obwohl PACs einen Ethernet-Anschluss besitzen, ist die Software für die Kommunikation der Schüssel zur reibungslosen Integration mit der übrigen Anlage.

Zwei Softwareansätze

Obgleich Software den entscheidenden Unterschied zwischen PACs und SPSen darstellt, haben Anbieter einen unterschiedlichen Ansatz bei der Bereitstellung von fortschrittlicher Software. Sie gehen gewöhnlich von bereits vorhandener Steuerungssoftware aus und arbeiten darauf hin, sie um die für die Programmierung von PACs erforderliche Funktionalität, Zuverlässigkeit und Bedienfreundlichkeit zu ergänzen. Daraus ergeben sich generell zwei Gruppen von PAC-Softwareanbietern: Jene mit einem Hintergrund im Bereich speicherprogrammierbare Steuerungen und jene mit einem Hintergrund in PC-basierten Steuerungen.

Software auf Grundlage der SPS

Anbieter herkömmlicher SPS-Software verwenden eine zuverlässige, bedienfreundliche Scan-Architektur als Ausgangspunkt und arbeiten daran, sie um neue Funktionsweisen zu ergänzen. Der SPS-Software liegt ein allgemeines Modell zugrunde, das Folgendes umfasst: Abtasten von Eingangssignalen, Ausführen von Steuercode, Aktualisieren von Ausgangssignalen und Durchführen von Verwaltungsfunktionen. Der Anwender beschäftigt sich in der Regel nur mit der Entwicklung des Steuercodes. Die Ein-/Ausgabeoptionen und die Operationen der Verwaltung sind versteckt und in das System eingebettet. Durch diese geordnete Steuerungsarchitektur wird die Erstellung von Automatisierungssystemen einfacher und kann schneller vorgenommen werden. Aufgrund des starren Aufbaus dieser Systeme entfällt für den Anwender die Notwendigkeit, die komplexe Arbeitsweise der SPS vollständig zu verstehen, um zuverlässige Programme erstellen zu können. Die starre Architektur, die bedeutendste Stärke der SPS, macht sie jedoch auch unflexibel. Die meisten Anbieter speicherprogrammierbarer Steuerungen entwerfen PAC-Software, indem sie die Abtastarchitektur um neue Funktionen wie Ethernet-Kommunikation, Motorensteuerung und hoch entwickelte Algorithmen ergänzen. Sie behalten jedoch die vertraute Art und Weise der SPS-Programmierung sowie die vorhandene Stärke bei Logik und Steuerung bei. Das Ergebnis ist eine PAC-Software, die hauptsächlich für bestimmte Arten von Anwendungen wie Logik, Motorensteuerung und PID konzipiert ist. Für benutzerdefinierte Anwendungen wie z. B. Kommunikation, Datenprotokollierung oder spezifische Regelalgorithmen ist sie allerdings weniger anpassbar.

Software auf Grundlage des PCs

Anbieter herkömmlicher PC-Software beginnen mit einer sehr flexiblen, universell einsetzbaren Programmiersprache, die einen umfassenden Zugang zu den verborgenen Arbeitsweisen der Hardware bietet. Diese Software bietet außerdem Zuverlässigkeit, Determinismus und Standard-Steuerungsarchitekturen. Da Ingenieure der Automatisierungsindustrie mit der Abtaststruktur wesentlich vertrauter sind als mit der Programmierweise von Sprachen der PC-Technologie, bedeutet die Einarbeitung einen erhöhten Zeitaufwand. Allerdings sind die Programmiersprachen der PC-Welt äußerst flexibel und eignen sich besonders für komplexe Anwendungen, die erweiterte Strukturen, Programmiertechniken oder Steuerung auf Systemebene erfordern.

Der erste Schritt besteht für diese Anwender darin, Zuverlässigkeit und Determinismus bereitzustellen; zwei Eigenschaften, die in einem universellen Betriebssystem wie z. B. Windows häufig nicht verfügbar sind. Das wird durch Echtzeitbetriebssysteme wie beispielsweise Phar Lap von Ardence (früher Venturcom) oder VxWorks von Wind River erreicht. Mithilfe dieser Echtzeitbetriebssysteme ist es möglich, alle Aspekte des Automatisierungssystems zu kontrollieren, angefangen von den I/O-Lese/Schreib-Geschwindigkeiten bis zur Priorität einzelner, auf dem Controller erzeugter Stränge. Diese Anbietergruppe ergänzt die Software um Abstraktionen und I/O-Schreib/Lese-Anordnung, um dem Ingenieur den Aufbau zuverlässiger Steuerungsanwendungen zu erleichtern. Das Ergebnis ist eine flexible Software, die sich für eine individuelle Steuerung, Datenprotokollierung und Kommunikation eignet, der jedoch die bekannten SPS-Programmierarchitekturen fehlen, was die Anwendungsentwicklung anspruchsvoller macht.

National Instruments stellt eine Gruppe PAC-Entwicklungsplattformen her, die LabVIEW-Software ausführen. LabVIEW hat sich mittlerweile zum De-facto-Standard im Bereich der Mess- und Prüftechnik entwickelt. Seine intuitive grafische Programmiermethodik, die Flussdiagrammen ähnelt, bietet die Funktionalität einer vollwertigen Programmiersprache und eine benutzerfreundliche Oberfläche. Durch LabVIEW Real-Time und LabVIEW FPGA werden ein Echtzeitbetriebssystem und die Möglichkeit, FPGAs (Field Programmable Gate Arrays) direkt anzusprechen, miteinander verbunden. Damit lassen sich auf sehr intuitive Weise hochleistungsfähige Steuer- und Regelsysteme realisieren.

Bildverarbeitung und Messtechnik bei PACs

Aufgrund seines Hintergrunds in der Messtechnik konnte National Instruments die Definition von PAC-Systemen erweitern. Neben Logik, Motion oder PID-Regelung werden Disziplinen wie schnelle Analog- und Digitaldatenerfassung, Signalerzeugung, Dynamiksignalanalyse, Schaltfunktionalitäten, Kommunikationsprotokolle und Bildverarbeitung hinzugefügt. So lassen sich komplexe Regelsysteme auf einer Plattform integrieren, die neben ihrer Steueraufgabe auch Funktionen wie die Erkennung von Motor- oder Lagerverschleiß (Vibrationsanalyse), Kommunikation über Netzwerke usw. übernehmen. PACs von National Instruments können umgehend äußerst präzise Messungen mit einer Abtastrate von mehreren Millionen Werten pro Sekunden vornehmen, die dann zur sofortigen Verarbeitung unmittelbar an deren Steuerungssystem weitergeleitet werden.

Anwender können zudem eine Bildverarbeitungsanwendung in ihre Steuer-/Regelsysteme integrieren. Die Bildverarbeitung ist ein Bereich der Automatisierungstechnik, der im vergangenen Jahrzehnt stark an Dynamik gewonnen hat. Viele Schwachstellen und Fehler in Produktionsstätten, die mit den üblichen Messtechniken nur schwer festzustellen sind, können mithilfe visueller Prüfungen aufgedeckt werden. Zu den gängigen Anwendungsbereichen gehören Bauteilprüfungen für die Fertigungs- oder Montagekontrolle, wie beispielsweise das Überprüfen der korrekten Platzierung eines Bauteils auf einer Platine, die optische Zeichenerkennung zur Prüfung der Codes von Datumsangaben oder zur Sortierung von Produkten sowie optische Messungen zur Feststellung von Fehlern bei Produkten oder zur Sortierung nach Qualitätskriterien. In vielen Fabrikanlagen werden derzeit autarke intelligente Kameras verwendet, die mit dem für das Fertigungsverfahren zuständigen Controller kommunizieren müssen. PACs von National Instruments verbinden Bildverarbeitung, Motorsteuerung und Hochgeschwindigkeitsmessungen mit Logik.

PACs ersetzen anwenderdefinierte Hardware

Obwohl PACs die neueste Entwicklung bei programmierbaren Rechnern für Automatisierungszwecke darstellen, ist die Zukunft der PACs von der Einbindung der Embedded-Technologie abhängig. Ein Beispiel dafür ist die Fähigkeit, Software zur Definition von Hardware einsetzen zu können. FPGAs sind elektronische Bauteile, die gewöhnlich von Herstellern in der Elektronikbranche benutzt werden, um kundenspezifische Chips zu erstellen, wodurch es möglich wird, Geräte um intelligente Funktionen zu erweitern. FPGAs bestehen aus konfigurierbaren Logikblöcken (CLB = configurable logic blocks), die zahlreiche Funktionen ausführen können, sowie aus programmierbaren Verbindungen, die als Schalter zur Verbindung der Funktionsblöcke fungieren, und aus I/O-Blöcken, die Daten über den Chip übertragen. Indem Elektronikentwickler die Funktionalität der konfigurierbaren Logikblöcke und die Art ihrer Verbindung miteinander und mit dem I/O definieren, können sie kundenspezifische Chips erstellen, ohne dass Kosten für die Herstellung einer anwendungsspezifischen integrierten Schaltung (ASIC) anfallen. FPGAs lassen sich mit einem Computer vergleichen, der buchstäblich seine internen Schaltkreise neu verdrahtet, um Ihre bestimmte Anwendung auszuführen.

Die FPGA-Technologie war bisher nur Hardwareentwicklern zugänglich, die komplexe Programmiersprachen wie z. B. VHDL beherrschten. Jetzt können Automatisierungstechniker allerdings LabVIEW FPGA einsetzen, um benutzerspezifische Regelalgorithmen zu erstellen. Dieser Programmcode wird dann auf dem Chip abgebildet und dort in echtem Hardware-Timing ausgeführt. Diese Eigenschaft ermöglicht Anwendern die Integration äußerst zeitkritischer Funktionen in Hardware, wie beispielsweise die Reaktion auf Signale von Endlageschaltern und Näherungssensoren. Da der Steuercode direkt auf dem Chip ausgeführt wird, ist es Anwendern möglich, Applikationen, die individuelle Kommunikationsprotokolle oder Hochgeschwindigkeitsregelschleifen umfassen, zügig zu erstellen. Dabei sind bis zu 1 MHz Digitalregelschleifen und 200 kHz Analogregelschleifen realisierbar.

LabVIEW für die Automatisierungstechnik

Aufgrund der Eigenschaften von LabVIEW und der bedienfreundlichen grafischen Programmiermethodik eignen sich LabVIEW-basierte PACs besonders für Anwendungen, die Folgendes erfordern:

Visualisierung: Weil bei der Programmierung mit LabVIEW eine Benutzeroberfläche erstellt wird, können grafische Elemente und eine Mensch-Maschine-Schnittstelle für Steuersysteme ganz unkompliziert eingebunden werden.

Messungen (Hochgeschwindigkeitsdatenerfassung, Bildverarbeitung und Motorensteuerung): National Instruments ist schon seit langem intensiv im Bereich Hochgeschwindigkeits-I/O, einschließlich Bilddatenerfassung, tätig, so dass Messungen wie beispielsweise Vibration oder Bildverarbeitung in vorhandene Standard-Steuersysteme integriert werden können.

Verarbeitungsmöglichkeiten: Bei manchen Anwendungen sind besondere Steuer- und Regelalgorithmen, eine erweiterte Signalverarbeitung oder Datenprotokollierungseigenschaften erforderlich. Mithilfe von LabVIEW kann nicht nur benutzerspezifischer Steuercode integriert werden, der mit Werkzeugen von NI oder Drittanbietern erstellt wurde, sondern auch eine Signalverarbeitung wie z. B. eine kombinierte Zeit- und Frequenzbereichsanalyse ausgeführt werden. Zudem lassen sich Daten vor Ort oder dezentral erfassen.

Plattformen: Mit LabVIEW kann Programmcode erstellt werden, der auf zahlreichen Plattformen ausgeführt werden kann, u. a. auf einem PC, einem Embedded-Controller, einem FPGA-Chip oder einem mobilen PDA.

Kommunikation: Mit LabVIEW ist es ganz einfach, Daten über Schnittstellen wie OPC und SQL/OBDC an das Unternehmen zu übermitteln.

PACs von National Instruments

National Instruments bietet fünf LabVIEW-basierte PAC-Plattformen:

PXI ist ein herstellerunabhängiger Industriestandard auf Grundlage der CompactPCI-Architektur. Der Standard ist optimiert für Mess-, Steuer- und Regelungsanwendungen und bietet neben dem industriellen Formfaktor (Temperaturbereich, Erschütterungen etc.) zusätzliche Funktionen wie spezielle Trigger- und Synchronisationsleistungen, die den modularen Aufbau von Systemen mit über 5000 zeitsynchronisierten I/O-Punkten erlauben. Echtzeitcontroller, die aus modernsten PC-Komponenten bestehen, garantieren höchste Leistungsfähigkeit und Zugang zu gängigen Kommunikationsprotokollen. Für die PXI-Plattform sind ca. 900 Module von National Instruments und weiteren Herstellern verfügbar, die sich problemlos integrieren lassen. Die Palette umfasst u. a. Analogeingangsmodule, Digital-I/O-Module mit hoher Kanaldichte, Analog- und Digital-Framegrabber für die industrielle Bildverarbeitung, Motorensteuerungskarten, Schnittstellenkarten für alle in der Industrie gängigen Bussysteme und Schnittstellen u. v. m.

Compact FieldPoint ist ein bedienfreundliches, erweiterbares und robustes verteiltes System. Das intelligente Kommunikations- und Controllermodul übernimmt dabei die Ausführung der Automatisierungsanwendung. Die flexibel zu bestückenden I/O-Module ermöglichen den direkten Zugang zu Sensoren und Aktoren über hochgenaue Analog-, diskrete I/O-, Counter- und Timermodule sowie weitere spezielle I/O-Elemente. Von Sensoren erfasste Rohdaten werden von den Modulen direkt gefiltert, kalibriert und auf physikalische Einheiten skaliert. Darüber hinaus bieten Funktionen wie Selbstdiagnose, Hot-Plug&Play-Fähigkeit und ein integrierter Flash-Speicher, auf den mithilfe des zur Verfügung stehenden FTP-Servers zugegriffen werden kann, weitere wichtige Eigenschaften für die Erstellung robuster PAC-Systeme. Compact FieldPoint ist das optimale System für die Prozessüberwachung, Datenloggeranwendungen und den Aufbau verteilter Steuer- und Regelsysteme. Der Zugriff auf die Module erfolgt dabei auf sehr einfache Art und Weise über eine komfortable LabVIEW-API basierend auf Express-VIs.

Das Compact Vision System ist die optimale Lösung, wenn die Automatisierungsanwendung eine Integration von Bildverarbeitungsfunktionalität erfordert. Das Compact Vision System ist ein sehr kompaktes, leistungsstarkes System, das mittels drei integrierter IEEE-1394-Schnittstellen (FireWire) die Anbindung an alle gängigen FireWire-Industriekameras ermöglicht. Zusätzlich ist es mit 29 Digital-I/O-Leitungen ausgestattet, die eine komfortable Anbindung von Beleuchtung, Triggerhardware oder externen Steuer- und Regelsystemen erlauben. Die Digital-I/O-Leitungen des Compact Vision System sind vorkonfiguriert, können aber bei Bedarf auch flexibel angepasst werden. Dies geschieht mittels eines integrierten FPGA-Bausteins, der Algorithmen besonders schnell ausführen kann. Darüber hinaus sind für die Kommunikation mit weiteren Systemen Standardschnittstellen (seriell, TCP/IP und VGA) vorhanden.

Das PAC-System CompactRIO ergänzt die PAC-Plattform um ein revolutionäres Konzept. Dieses Embedded-Echtzeitsystem vereint in sehr kompakter Form die Vorteile eines PC-basierten Echtzeitcontrollers mit der Leistungsfähigkeit der FPGA-Technologie. Zur Realisierung der Anwendung ermöglicht NI LabVIEW FPGA die Erstellung der Algorithmen, die direkt auf dem FPGA-Chip abgebildet werden und dort ohne den Overhead eines Betriebssystems in echtem Hardware-Timing ausgeführt werden. Der angeschlossene Controller erlaubt die Abarbeitung von LabVIEW-Real-Time-Anwendungen und bietet den vollen Funktionsumfang dieser Entwicklungsplattform. Auch dieser Controller verfügt über Kommunikationsschnittstellen. Die Architektur des CompactRIO bringt eine außergewöhnliche Flexibilität hinsichtlich Timing, Triggerung und Synchronisation mit sich. Zudem lassen sich Regelalgorithmen realisieren, die sonst nur mittels sehr teurer eigener Hardwareentwicklung möglich sind. Diese Plattform eignet sich somit vor allem für Hardware-in-the-Loop-Tests, Prototyping, Maschinensteuerung, Vibrationsüberwachung und Stand-alone-Steuerungs- und Datenerfassungsanwendungen.

Gewöhnliche Industrie-PCs können auch mit dem breiten Angebot an PCI-Modulen National Instruments eingesetzt werden. PCI-basierte Industrie-PCs bilden eine sehr kostengünstige PAC-Plattform. Diese Systeme werden durch den Einsatz eines Echtzeitbetriebssystems befähigt, LabVIEW-Real-Time-Anwendungen auszuführen. Auch hier kann eine Vielzahl existierender Hardware-I/O-Module dazu verwendet werden, die Anbindung an Industrieanlagen und -automaten zu realisieren. Aufgrund der eingeschränkten Robustheit kommen diese Systeme vor allem im Laborbereich und für die Prototypisierung zum Einsatz. Die Skalierbarkeit erlaubt die problemlose Übertragung auf robustere Systeme, wenn die Anwendung später im industriellen Umfeld eingesetzt werden soll.

Diese verschiedenen PAC-Plattformen sind für unterschiedliche Disziplinen optimiert. Da sie mit denselben Werkzeugen definiert werden, können sie für komplexe Systeme auch beliebig kombiniert werden. Die Skalierbarkeit des Konzepts ermöglicht ferner die Portierung einer Anwendung von einer Plattform auf die andere. So können Regelalgorithmen sehr leicht wieder verwendet werden. Dieses offene Konzept erlaubt den Einsatz von PAC-Systemen in vielfältigen Bereichen, so z. B. als Prototypen im Maschinenbau, als integriertes Steuer- und Testsystem und als Betriebseinheit in einer Prozessanlage.

 

Mehr zu PAC-Plattformen von NI erfahren Sie unter www.ni.com/pac/d