Programmierung von SPSen der nächsten Generation mit LabVIEW

Wenn Sie sich in ein Diskussionsforum zur industriellen Steuerungstechnik einloggen, werden Sie Themenbeiträge über die Vor- und Nachteile der PC-basierten Steuerung sowie der Steuerungstechnik mittels speicherprogrammierbarer Steuerung (SPS) vorfinden. Seit neuestem mögen Ihnen auch Beiträge begegnet sein, in denen über PACs diskutiert wird und folglich stellen Sie sich die Frage, was ein PAC sein könnte. Zum besseren Verständnis von PACs ist es hilfreich, sich die Geschichte der industriellen Steuerungstechnik vor Augen zu führen. In den 1960ern setzten Ingenieure die Anlagensteuerung mithilfe großer Reihen mechanischer Relais um. Diese Systeme waren kompliziert, nur schwer zu verändern und fehleranfällig. In den späten 1960ern stellte das Unternehmen Bedford Associates ein neues System namens Modular Digital Controller (MODICON) vor, das eine Zentraleinheit nutzte, um digitale Logik auszuführen und eine Schnittstelle zu digitalen Ein- und Ausgängen bereitzustellen. Dieses System kann als das erste „virtuelle Instrument“ für industrielle Anwendungen angesehen werden. MODICON 084 war die erste speicherprogrammierbare Steuerung. Die neuen SPSen führten digitale Operationen sowie die digitale Steuerung effizient aus und wurden Mitte der 1970er sehr populär. Die frühen SPSen nutzen 4-Bit-Slice-Prozessoren, wie beispielsweise den AMD 2901, und waren auf die digitale Steuerung begrenzt. Damit sie zuverlässig und leicht programmierbar wurden, kamen bei SPSen starre Steuerungsarchitekturen und einfache Befehlsätze zum Einsatz. Ingenieure programmierten den Großteil der SPSen mittels Kontaktplan, einer grafischen Sprache, die geschaffen wurde, um die ursprünglichen Relaisdiagramme der 1960er zu simulieren.

Das Pareto-Prinzip: Die 80/20-Regel zur Erfüllung von Applikationsanforderungen

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 Advisory Group, von VDC und PLCS.net schätzen, dass

80 % der SPSen bei kleinen Applikationen genutzt werden (1 bis 128 I/O-Module),

78 Prozent der SPS-I/Os digital sind

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

Aus diesen Gründen nutzen einige SPSen immer noch den originalen AMD-2901-Prozessor und bieten Unternehmen wie Keyence nur eine Programmierung mittels Kontaktplan an.

Wenn also 80 Prozent der Anwendungen eine einfache digitale und analoge Steuerung umfassen, müssen Ingenieure, die die übrigen 20 Prozent der Anwendungen erstellen, die Grenzen der SPS-Technik ausweiten. In den 1980ern und 1990ern waren diese an den 20 Prozent Beteiligten diejenigen, die PCs für die Anlagensteuerung in Betracht zogen, um somit eine einmalige Flexibilität, äußerst leistungsstarke Software und fortschrittliche Hardware zur Verfügung zu haben. Allerdings hatte die PC-basierte industrielle Steuerungstechnik gewisse Schwächen:

Stabilität: Ein allgemeines Betriebssystem war oft nicht stabil genug, so dass die Leitungen Systemabstürze und ungeplante Neustarts bewältigen mussten.

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

Ungewohnte Programmierumgebung: Anlagebetreiber mussten ein System ausschalten, wenn es versagte. Wenn ein Kontaktplan eingesetzt wurde, wussten sie, wie Probleme zu beseitigen waren. Für den Umgang mit PC-Systemen mussten die Betreiber jedoch neue Methoden erlernen.

 

Eine neue Generation von Automatisierungscontrollern

Da eine klare PC- bzw. SPS-Lösung fehlte, arbeiteten Ingenieure, die komplexe Anwendungen bewältigen mussten, häufig eng mit Anbietern von Steuerungen zusammen, um neue Produkte zu entwickeln. Diese wichtige Kundengruppe benötigte eine Kombination aus erweiterter Funktionalität und Zuverlässigkeit und half Unternehmen aus dem Bereich SPS- und PC-Steuerung wie Rockwell, Siemens, GE Fanuc, Beckhoff und National Instruments bei der Produktentwicklung. 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. Der Marktanalyst ARC gab diesen Geräten den Namen „Programmable Automation Controllers“ (PAC, programmierbare Automatisierungscontroller). In der Studie „Programmable Logic Controllers Worldwide Outlook“ ermittelte ARC fünf Hauptmerkmale von PACs.

Funktionalität innerhalb mehrerer Domänen – mindestens zwei der folgenden auf einer einzigen Plattform: Logik, Motorsteuerung, PID-Regelung, Antriebssteuerung und Verarbeitung

Eine einzige, zahlreiche Disziplinen umfassende Entwicklungsplattform, die eine gemeinsame Identifizierung und eine einzige Datenbank für den Zugriff auf alle Parameter und Funktionen umfasst

Softwaretools, die eine Entwicklung gemäß dem Arbeitsablauf auf mehreren Maschinen oder Prozesseinheiten ermöglichen, samt IEC 61131-3, Benutzerführung und Datenverwaltung

Offene, modulare Architekturen, die Industrieanwendungen widerspiegeln, angefangen bei der Maschinenanordnung in Fabriken bis hin zu Grundverfahren bei verfahrenstechnischen Anlagen

Einsatz von De-facto-Standards für Netzwerkschnittstellen, Sprachen usw. (z. B. TCP/IP, OPC und XML sowie SQL-Abfragen)

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Tabelle 1: National Instruments bietet eine Reihe von PAC-Hardwarezielsystemen, um jedem Anwender die optimale Kombination von Funktionalität und Zuverlässigkeit für industrielle Mess-, Steuer- und Regelaufgaben zur Verfügung zu stellen.

 

PACs von National Instruments

PAC-Hardwaremodule von National Instruments basieren auf der NI-LabVIEW-Technologie, wozu u. a. LabVIEW Real-Time und LabVIEW FPGA gehören. Mit LabVIEW Real-Time und LabVIEW FPGA können Anwender benutzerspezifische Mess- und Steuersysteme mittels LabVIEW programmieren und sie auf zuverlässigen Embedded-Zielgeräten einsetzen, auf denen ein Echtzeitbetriebssystem ausgeführt wird oder die in Hardware integriert sind. Die PAC-Hardwaremodule wurden für Anwendungen konzipiert, die Folgendes erfordern:

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

Messungen (Hochgeschwindigkeitsdatenerfassung, Bildverarbeitung und Motorsteuerung): National Instruments arbeitet schon lange intensiv im Bereich Hochgeschwindigkeits-I/O, einschließlich Bilddatenerfassung, so dass Messungen wie beispielsweise Vibrations- oder Bildverarbeitungsmessungen in die Standard-Steuersysteme integriert werden können.

Verarbeitungsmöglichkeiten: Bei manchen Anwendungen sind besondere Steueralgorithmen, 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 Signalverarbeitung wie z. B. kombinierte Zeit- und Frequenzbereichsanalyse ausgeführt werden. Zudem lassen sich Daten vor Ort oder dezentral erfassen.

Plattformen: Mit LabVIEW kann Programmcode erstellt werden, der zahlreiche Plattformen steuert, u. a. PCs, Embedded-Controller, FPGA-Chips oder PDAs.

Kommunikation: Mit LabVIEW ist es ganz einfach, Daten mit Werkzeugen wie OPC und SQL unternehmensweit zu veröffentlichen.

National Instruments bietet vier PAC-Hardwaremodule an:

PXI erweitert einen Industrie-PC um ein Echtzeitbetriebssystem, Standards zur Kühlung, optionale, nicht rotierende Solid-State-Festplatten und Synchronisation zwischen Modulen. Der PXI-Standard verlangt, dass alle Chassis einen Luftstrom zur Kühlung mit 25 W pro Modulsteckplatz liefern, damit ein Betrieb ohne eventuelles Überhitzen oder verkürzte Lebensdauer gewährleistet ist, und das selbst bei Einsatz eines leistungsstarken Relais oder von Hochgeschwindigkeits-PXI- oder CompactPCI-Karten. Außerdem bietet PXI eine enge Synchronisation bei unterschiedlichen Modulen, damit Anwender Motorsteuerungs-, Bildverarbeitungs- und I/O-Systeme für Steuerungsanwendungen, bei denen hohe Geschwindigkeiten ein Rolle spielen (z. B. in der Verpackungsindustrie und beim Halbleiterhandling), erstellen können.

Compact FieldPoint nutzt industrietaugliche Teile, um hohen Stoß- und Vibrationsbelastungen standzuhalten, einen breiten Temperaturbereich zwischen -40 °C und 70 °C abzudecken und Zertifizierungen der Klasse 1, Division II sowie Lloyd zu entsprechen. Anstelle von rotierenden Ventilatoren wird eine Leitungskühlung genutzt, um die Zuverlässigkeit durch eine Reduzierung von beweglichen Teilen zu erhöhen. Compact-FieldPoint-Systeme besitzen aufgrund eines Fließkommaprozessors, der ein Echtzeitbetriebssystem ausführt, die Funktionalität eines PCs und verfügen über CompactFlash-Treiber zur Datenprotokollierung und einen Ethernetanschluss für den Datenaustausch.

Das Compact Vision System ist ein robuster Controller, der speziell für Bildverarbeitungsanwendungen entwickelt wurde. Dabei werden IEEE-1394-Schnittstellen eingesetzt, so dass Daten mit bis zu 16 Kameras in einer Bildverarbeitungsapplikation ausgetauscht werden können und ein High-Speed Intel Prozessor zur schnellen Bildanalyse verwendet werden kann. Beim Compact Vision System kommen ebenfalls keine beweglichen Teile zum Einsatz und es wird eine Leitungskühlung genutzt. So kann das System in der Nähe von Maschinen montiert werden.  Es bietet 29 integrierte I/O-Kanäle, die entweder von LabVIEW Real-Time aus oder direkt von einem Embedded-FPGA unter Einsatz von LabVIEW FPGA gesteuert werden können.

Bei CompactRIO handelt es sich um ein rekonfigurierbares Embedded-System auf Grundlage der Technologien LabVIEW FPGA und LabVIEW Real-Time. Beim CompactRIO-System wird ein FPGA-Chip mit bis zu drei Millionen Gattern eingesetzt, um modulare Digital- und Analog-I/O zu steuern. Der FPGA-Chip kann Embedded-Code Hardware für Digitalschleifen bis zu 1 MHz und Analogschleifen bis zu 150 kHz ausführen. Mit dem FPGA-Chip können Informationen an einen Fließkommaprozessor zurückgeleitet werden, auf dem LabVIEW Real-Time ausgeführt wird, um so eine erweiterte Verarbeitung, Datenprotokollierung und Kommunikation zu ermöglichen. Aufgrund seines Metallgehäuses und der Leitungskühlung eignet sich dieser Controller besonders für raue Umgebungen.

Industrieingenieure, die diese übrigen 20 Prozent der Applikationen erstellen müssen, weiten die Grenzen der Controller-Technologie immer mehr aus. Darauf reagieren PAC-Hersteller mit der Bereitstellung ausgewählter Hardware, die die beste Funktionalität des PCs mit der Zuverlässigkeit der SPS verbinden. Hilfsmittel wie beispielsweise LabVIEW Real-Time, die das Programmieren von Echtzeitbetriebssystemen, FPGAs und digitalen Signalprozessoren vereinfachen, versprechen zahlreiche neue Möglichkeiten für Industrieingenieure.

 

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Abbildung 1: PACs kombinieren die Zuverlässigkeit von SPSen mit der Funktionalität von PCs.