Anbindung von LabVIEW an beliebige Industrienetzwerke und SPSen
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Übersicht
Programmable Automation Controllers (PACs) von National Instruments und NI LabVIEW können bestehende speicherprogrammierbare Steuerungen (SPS) und Industriesysteme um vielfältige Funktionen erweitern. Die Zustandsüberwachung von Maschinen, Hochgeschwindigkeits-Analogmessungen und benutzerspezifische Bildverarbeitungsanwendungen sind nur einige Beispiele für typische PAC-Applikationen. Dabei ist die Kommunikation zwischen den beiden Systemen ist extrem wichtig und muss einfach zu implementieren, effektiv und häufig deterministisch sein. Dieses Whitepaper behandelt die unterschiedlichen Methoden der Anbindung von LabVIEW und PAC-Systemen von National Instruments an Industrienetzwerke, Industriegeräte und SPSen.
Inhaltsverzeichnis
Einfache Digital- und Analog-I/O
Der vielleicht einfachste Weg, um PACs von National Instruments in bestehende SPSen zu integrieren, nutzt grundlegende Digital- oder Analog-I/O. Alle PAC-Plattformen von National Instruments stellen Digital-I/O zur Verfügung. Die Mindestanzahl an Digital-I/O bei einer PAC-Plattform von NI befindet sich am NI Compact Vision System. Compact Vision bietet 15 Digitaleingänge und 14 Digitalausgänge. Mittels Digital-I/O kann der Anwender Daten auf unterschiedliche Art und Weise übertragen. Die einfachste Methode ist wohl die, bei der eine einzelne digitale Leitung umgeschaltet wird, so dass ein Bit für Dinge wie z. B. Status oder Gut/Schlecht-Kriterien versendet werden kann. Sollen mehr Informationen ausgegeben werden, wie etwa Fehlercodes oder umfangreiche Zahlen, oder soll Handshaking implementiert werden, können mehrere Digital-I/O-Verbindungen oder -Anschlüsse genutzt werden. Mit acht Digital-I/O-Leitungen können bis zu 256 individuelle Werte geschrieben und gelesen werden. Außerdem können über eine digitale Verbindung Impulse erzeugt werden. Die Impulserzeugung ermöglicht Präzisions-Timing und Triggerung von Automatisierungsgeräten wie z. B. Aktoren und SPSen.
Analog-I/O ist ebenfalls eine gute Option für die Kommunikation zwischen einem PAC-System von NI und einer SPS. Mittels Analog-I/O kann der Anwender viel größere Datenmengen über eine einzelne Leitung verschicken. Mit einem 16-bit-D/A-Wandler lassen sich tausende unterschiedliche Werte über eine einzige Verbindung verschicken. Analog-I/O eignet sich für das Senden schrittweiser Änderungen für einen bestimmten Wert und den Einsatz nur weniger Drähte. Zu den Nachteilen des Einsatzes von Analog-I/O für die Kommunikation zählen mögliches Rauschen und Signalintegrität. Befindet sich ein PAC- oder SPS-System in der Produktionsstätte, können sehr viele Störsignale vorhanden sein, durch die sich der Wert des Signals, das gelesen oder geschrieben werden soll, verändert. Der Einsatz isolierter Datenerfassungsprodukte kann zum Schutz der Daten vor Masseschleifen, Spannungsspitzen und verrauschten Umgebungen beitragen.
Abb. 1: NI CompactRIO und Integration von Allen-Bradley ControlLogix mit Digital-I/O
Links auf thematisch verwandte Seiten:
- PCI-, PXI- und USB-Datenerfassungsprodukte von National Instruments
- CompactRIO-I/O-Module von NI
- Developer Zone: Isolierungstechnologien für zuverlässige Industriemessungen
Modbus TCP und Modbus Serial
Modbus TCP und Modbus Serial sind zwei der am häufigsten genutzten Industrieprotokolle bzw. -netzwerke auf dem Markt. Seit NI LabVIEW 8.0 werden Modbus TCP und Modbus Serial an jedem Ethernet- bzw. seriellen Anschluss mithilfe zweier LabVIEW-Add-on-Module – LabVIEW Real-Time und LabVIEW DSC – unterstützt. Beide Module erlauben die Erstellung eines Modbus-TCP- oder Modbus-Serial-I/O-Servers über einen grafischen Konfigurationsassistenten. Mit nur wenigen Mausklicks kann ein Anwender einen Modbus Master oder Slave erstellen und die unterschiedlichen zu lesenden und zu schreibenden Register festlegen. Unter nachfolgendem Link erfahren Sie mehr über den Prozess zur Erstellung eines Modbus-I/O-Servers mit LabVIEW 8.
Nutzen Sie eine ältere Version von LabVIEW oder verfügen Sie nicht über die Module LabVIEW Real-Time oder DSC, dann können Sie die LabVIEW Modbus Library nutzen, welche einen Satz von VIs niedrigerer Ebene bereitstellt, um Modbus-Master- oder Slave-Anwendungen mit Ethernet- oder seriellen Ports zu entwickeln. Diese kostenlose Bibliothek finden Sie unter nachfolgendem Link.
Modbus TCP ist ebenfalls ein hilfreiches Werkzeug für die Nutzung von Gateways für eine Vielzahl von Anschlussoptionen. Nähere Informationen zu diesem Thema finden Sie im Abschnitt über die Gateways.
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Steckkarten für die Kommunikation
Werden ein Standard-Desktop-Rechner oder ein PXI-Chassis verwendet, lassen sich die verfügbaren PCI- oder PXI-Steckplätze für Steckkarten zur Kommunikation nutzen. Steckkarten bieten u. a. folgende Vorteile:
- Direkte Kommunikation mit bestehenden Industrienetzwerken, so dass Anbindung an alle angeschlossenen Komponenten besteht
- Deterministische Kommunikation mit dem Prozessor
- High-Level-Funktionen (API) für die zügige Anwendungsentwicklung
PROFIBUS-Schnittstellenmodule
PROFIBUS wurde 1989 entwickelt und gehört zu den weltweit gängigsten Fieldbus-Typen. Über 20.000.000 installierte Knotenpunkte zeigen die Beliebtheit von PROFIBUS in Europa. PROFIBUS ist zudem der Standard bei SPSen von Siemens für die Automatisierungstechnik, um Verbindungen untereinander, zu Smart-Sensoren, Aktoren und I/O herzustellen.
Abb. 2: PXI- und PCI-PROFIBUS-Schnittstellenmodule von NI
Die PCI- und PXI-Schnittstellenmodule (1 Anschluss) von National Instruments für PROFIBUS verbinden PC-basierte Controller als Master oder Slave mit industriellen PROFIBUS-Netzwerken. PROFIBUS-Schnittstellenmodule beinhalten NI-LabVIEW-Treiber für HMI- und SCADA-Anwendungen. Des Weiteren können die Module für automatisierte Prüfanwendungen mit PROFIBUS-Geräten eingesetzt werden. Im Lieferumfang dieser Schnittstellen ist ein bedienfreundlicher, VISA-basierter Treiber enthalten, der von LabVIEW und LabVIEW Real-Time unterstützt wird.
Wird ein PAC von NI ohne PCI- oder PXI-Erweiterungssteckplatz verwendet, kann ein Gateway von Drittanbietern für die Anbindung von LabVIEW an PROFIBUS-Netzwerke und -Geräte genutzt werden.
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DeviceNet-Schnittstellenmodule
DeviceNet wird gewöhnlich bei Industrieanwendungen genutzt und ist eine einfache, offene Netzwerklösung, die die Kommunikation von bis zu 64 Geräten über ein einzelnes Bussystem erlaubt. Damit werden Kosten und Komplexität der Verdrahtung und der Installationsaufwand von Automatisierungsmodulen reduziert. Ebenso wird die Zusammenarbeit ähnlicher Komponenten unterschiedlicher Anbieter vereinfacht. DeviceNet basiert auf der physikalischen Schicht von CAN (Controller Area Network) und ist eine kostengünstige Lösung für die Anbindung von Industriegeräten wie beispielsweise fotoelektrische Sensoren, Barcode-Leser, I/O, Industrie-PCs, SPSen, Anzeigen und Mensch-Maschine-Schnittstellen an ein Netzwerk. Die direkte Anbindung verbessert die Kommunikation zwischen den Geräten und ermöglicht Diagnostik auf Geräteebene, die über fest verdrahtete I/O-Schnittstellen nicht leicht zugänglich oder verfügbar ist.
DeviceNet-Schnittstellenmodule von National Instruments können sowohl als Master (Scanner) oder als Slave eingesetzt werden. NI-DeviceNet-Schnittstellen werden in den Formfaktoren PCI, PXI und PCMCIA angeboten und verwenden den standardisierten 5-Pin-Combicon-Anschluss als Zugang zu DeviceNet-Geräten und Netzwerken. Die PXI-DeviceNet-Karte ist mit LabVIEW Real-Time kompatibel und ermöglicht deterministische Steuerung und Kommunikation mit DeviceNet-Netzwerken und -geräten. Alle DeviceNet-Karten beinhalten die Treibersoftware NI-DNET, die einfach zu handhabende High-Level-Funktionen für eine schnelle Anwendungsentwicklung bietet. Darüber hinaus bietet NI-DNET zwei Hilfsprogramme für das Einrichten und die Konfiguration von Netzwerken: NI Configurator und NI Analyzer.
Abb. 3: DeviceNet-Schnittstellenmodule von National Instruments
DeviceNet-Schnittstellen von National Instruments sind eine ausgezeichnete Lösung, um ein bestehendes DeviceNet-Netzwerk um weitere Funktionen zu ergänzen. Beispielsweise können zum Schutz teurer Ausstattung durch Überwachung von Maschinenzuständen ein PC oder ein PXI-Chassis mit NI LabVIEW und Karten zur Erfassung dynamischer Signale genutzt werden, welche die Maschinenüberwachung und -analyse durchführen. In dem Zusammenhang sollte der Anwender die erfassten Daten mit einer NI DeviceNet-Karte im Slave-Modus an den DeviceNet-Master (häufig eine SPS) übergeben, wodurch die zwei Systeme in ein einziges Netzwerk integriert werden.
NI DeviceNet Configurator: Beim Configurator handelt es sich um ein leistungsstarkes Konfigurationswerkzeug mit EDS-Unterstützung (EDS, Electronic Data Sheet). Jedes DeviceNet-Gerät besitzt seine eigene EDS-Datei, die vom Gerätehersteller zur Verfügung gestellt wird. Der Configurator kann ein DeviceNet-Netzwerk durchsuchen, um Angaben zu den angeschlossenen Geräte zu ermitteln, die zugehörigen EDS-Dateien automatisch zu laden, die Geräteparameter zu lesen und zu schreiben sowie die MAC-ID eines Geräts zu ändern.
NI DeviceNet Analyzer: Der Analyzer überwacht das DeviceNet-Netzwerk und interpretiert die erfassten CAN-Nachrichten gemäß des DeviceNet-Protokolls. Das Hilfsprogramm zeigt die Mitteilungen zusammen mit ihren Parametern an. Mithilfe leistungsstarker Filter und Suchoptionen können bestimmte Nachrichtentypen angezeigt werden. Nachrichtenstatistiken lassen sich im Analyzer ebenfalls anzeigen. Der Analyzer eignet sich für die Fehlerbehebung und -analyse von DeviceNet-Netzwerken und -Systemen.
Falls ein PAC-System von NI genutzt wird, das nicht über eine DeviceNet-Steckkarte verfügt, kann man einen Gateway von Drittanbietern für die Anbindung von LabVIEW an ein DeviceNet-Netzwerk oder -Gerät verwenden. Weitere Informationen dazu finden Sie im Abschnitt über Gateways von Drittanbietern.
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CANopen-Schnittstellenmodule
CANopen ist ein Higher-Level-Protokoll, das auf der physikalischen Schicht von CAN aufbaut und als standardisiertes, höchst flexibel konfigurierbares Embedded-Netzwerk entwickelt wurde. Das ursprünglich für Motorsteuerungsanwendungen entwickelte Protokoll CANopen ist in zahlreichen Branchen weit verbreitet, z. B. bei medizinischen Geräten, Geländefahrzeugen, öffentlichen Verkehrsmitteln und in der Gebäudeautomatisierung.
Für CANopen-Master-Funktionen bietet National Instruments die CANopen-LabVIEW-Bibliothek, die bedienfreundliche High-Level-Funktionen in NI LabVIEW bereitstellt, um CANopen-Master-Anwendungen zu erstellen. Da die CANopen-Funktionen auf die NI-CAN-Treibersoftware aufgesetzt werden, können alle High-Speed-CAN-Module der Serie 2 von National Instruments für PCI, PXI und PCMCIA als voll funktionsfähige CANopen-Master-Schnittstellen betrieben werden.
Abb. 4: CANopen-Schnittstellenmodule von National Instruments
Die CANopen-LabVIEW-Bibliothek von NI bietet Funktionen, die das gesamte Spektrum von CANopen-Master-Anwendungen abdecken, darunter das Senden und Empfangen von SDOs (Service Data Objects) und PDOs (Process Data Objects), Netzwerkverwaltung, Heartbeat und Node Guarding, Notfallmeldungen und Synchronisationsobjekte. Mithilfe dieser Funktionen können Anwender Applikationen erstellen, die dem Standard CAN in Automation (CiA) DS310 vollständig entsprechen.
Die LabVIEW-Bibliothek für CANopen kann auch mit dem NI SoftMotion Controller für CANopen-Motoransteuerungen eingesetzt werden, so dass Anwender ihre CANopen-Netzwerke in diesem Anwendungsbereich einfach um CANopen-I/Os ergänzen können. Der NI SoftMotion Controller arbeitet als Soft-Motion-Schnittstelle zwischen der Treibersoftware NI-Motion und verteilten intelligenten Antriebssystemen. Anwender können CANopen-basierte Accelnet- und Xenus-Antriebe der Firma Copley jetzt auch mit der einfach bedienbaren NI-Motion-API in LabVIEW programmieren.
Sollte ein PAC-System von NI verwendet werden, das nicht über eine CANopen-Steckkarte verfügt, kann ein Gateway von Drittanbietern für die Anbindung von LabVIEW an CANopen-Netzwerke und -Geräte verwendet werden. Weitere Informationen dazu finden Sie im Abschnitt über Gateways von Drittanbietern.
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Serielle Schnittstellen (RS232, RS422 und RS485)
Bei der seriellen Datenübertragung handelt es sich um ein Gerätekommunikationsprotokoll, das in fast jedem PC zum Standard gehört. Die meisten Desktop- und Laptop-Rechner verfügen über mindestens einen RS232-basierten seriellen Anschluss. Das serielle Protokoll ist zudem in vielen Messgeräten verfügbar und zahlreiche GPIB-kompatible Geräte besitzen einen RS232-Anschluss. Die serielle Kommunikation kann auch zur Datenübertragung von Remote-Geräte eingesetzt werden. RS232 ist zwar das am häufigsten verwendete serielle Protokoll, doch werden auch RS422 und RS485 oft verwendet.
Übersicht über serielle Schnittstellen von National Instruments: National Instruments gehört zu den Marktführern bei der Messgerätesteuerung und bietet eine komplette Produktpalette serieller Schnittstellen für RS232-, RS422- und RS485-Protokolle. NI bietet serielle Schnittstellen für eine Vielzahl von Computerbussen, wie PCI, PXI, PCMCIA, ExpressCard/34, USB und Ethernet. Alle seriellen Schnittstellen von National Instruments sind Plug-and-play-fähig und vollständig über Software konfigurierbar. Außerdem bietet NI-Hardware und -Software für serielle Schnittstellen Eigenschaften wie z. B. flexible Baudraten und Hardware-Flusssteuerung. Des Weiteren beanspruchen serielle PCI- und PXI-Schnittstellen den Prozessor dank DMA-Übertragungen nur minimal und bieten optional eine Anschluss-zu-Anschluss-Isolierung von 2000 V.
Abb. 5: Serielle Schnittstellen von National Instruments
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OPC
OLE for Process Control (OPC) ist der ursprüngliche Name für einen Standard, der 1996 von einem Zusammenschluss von Firmen der Automatisierungsindustrie geschaffen wurde. Der Standard spezifiziert den Datenaustausch zwischen Automatisierungskomponenten von verschiedenen Herstellern. Er wird jetzt von der OPC Foundation gepflegt und wurde in OPC Data Access umbenannt. Die derzeitige Version der Spezifikation OPC Data Access ist OPC Data Access 3.0.
OPC wurde entwickelt, um die Lücke zwischen Windows-basierten Anwendungen und Hard- und Software für die Prozesssteuerung zu überbrücken. Es handelt sich um einen offenen Standard, der eine konsistente Methode für den Zugriff auf Felddaten von Geräten in Produktionsstätten zulässt. Diese Methode bleibt unabhängig vom Typ und der Quelle der Daten immer dieselbe. Gewöhnlich musste jedes Mal, wenn ein Softwarepaket Zugangsdaten von einem Gerät benötigte, eine benutzerspezifische Schnittstelle bzw. ein Treiber geschrieben werden. Der Zweck von OPC liegt darin, eine gängige Schnittstelle zu definieren, die einmal geschrieben und dann von Unternehmens-, SCADA-, HMI- oder benutzerspezifischen Softwarepaketen wiederverwendet wird.
Abb. 6: OPC wurde zur Verbesserung der Anbindung an unternehmensweite Systeme geschaffen.
Sobald ein OPC-Server für ein bestimmtes Gerät geschrieben wurde, kann er von jeder Anwendung wiederverwendet werden, die in der Lage ist, als OPC-Client zu fungieren. OPC-Server nutzen die OLE-Technologie von Microsoft (auch bekannt als Component Object Model oder COM) zur Kommunikation mit Clients.
LabVIEW als OPC-Server: Ab LabVIEW 8 können alle vorhandenen Daten mithilfe der Umgebungsvariable auf einen nativen OPC-Server gestellt werden. Durch diese Methode lassen sich alle in LabVIEW vorhandenen Daten in eine Anwendung stellen, die als OPC-Client fungieren kann.
Ergänzen von LabVIEW um OPC-Client-Funktionalität: Das LabVIEW Datalogging and Supervisory Control (DSC) Module erweitert die grafische Entwicklungsumgebung LabVIEW um zusätzliche Funktionalität für die zügige Entwicklung verteilter Mess-, Steuer-, Regel- und Überwachungsanwendungen mit hoher Kanalanzahl. Das DSC Module stellt LabVIEW Werkzeuge bereit, die es möglich machen, Offline- und Online-Daten grafisch darzustellen, die Zugriffsrechte auf Frontpanels zu verwalten, Daten automatisch aufzuzeichnen und die Umgebungsvariable um Alarmmeldungen, Skalierung und Sicherheit zu ergänzen. Eine der wichtigsten Funktionen des LabVIEW DSC Module ist die, dass LabVIEW als OPC-Client fungieren kann, so dass eine einfache Anbindung an jeden Server, der die OPC-Serverschnittstelle der OPC Foundation implementiert, möglich ist. Das DSC Module findet alle auf dem Rechner installierten OPC-Server und liest alle verfügbaren Informationen über Serverkapazitäten und -einheiten direkt vom Server. Weitere Informationen zum LabVIEW DSC Module finden Sie unter nachfolgendem Link.
Ausgabe von Daten von NI-Datenerfassungsgeräten mit einem OPC-Server: Während das LabVIEW DSC Module dazu dient, LabVIEW um OPC-Client-Funktionalität zu ergänzen, bietet die Treibersoftware NI-DAQmx die Möglichkeit, Daten von jedem beliebigen Datenerfassungsgerät von National Instruments mit einem nativen OPC-Server auszugeben. Dadurch wird die Erstellung verteilter Steuer-, Regel- und Datenerfassungsanwendungen erleichtert. Alle NI-DAQmx-Geräte können mittels der Version NI-DAQmx 8 (oder höher) mit der Engine für Umgebungsvariablen von LabVIEW 8 eingesetzt werden. Nähere Informationen zu dieser Funktion erfahren Sie in unten angegebenem Dokument.
Ausgabe von Daten von NI Fieldpoint und Compact FieldPoint mit einem OPC-Server: Ähnlich wie NI-DAQmx enthält auch die FieldPoint-Treibersoftware einen OPC-Server, der es erlaubt, Daten auf jedem OPC-Server auszugeben. Der FieldPoint-OPC-Server entspricht dem Standard OPC Data Access 2.0. Er importiert die I/O-Objekte, die im FieldPoint Explorer konfiguriert wurden und stellt sie als OPC-Einheiten jedem OPC-Client zur Verfügung. Daher ist es bei Vernetzung zweier Computer möglich, dass ein OPC-Client auf einem der Rechner, auf die FieldPoint-Hardware zugreift, die mit dem OPC-Server auf dem anderen Rechner verbunden ist.
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Gateways von Drittanbietern
Jeder Computer oder PAC von NI mit einem Ethernet- oder einem seriellen Anschluss kann mit SPSen sowie mit Smart-Sensoren und -Aktoren an einer ganzen Reihe von Industrienetzwerken durch Nutzung von Gateways von Drittanbietern kommunizieren. Mithilfe der nativen Modbus-Funktionen von LabVIEW 8 mit entweder dem DSC Module bzw. dem Real-Time Module oder mit der Modbus-Bibliothek für National Instruments LabVIEW können Anwender jeden Ethernet- oder seriellen Anschluss als Modbus-TCP- oder Modbus-Master oder -Slave einsetzen. Mit dieser Bibliothek oder mit einem der Gateways, die unter folgendem Link aufgeführt werden, ist die Kommunikation zu einer LabVIEW-Anwendung mit bestehender Ausrüstung an einem Industrienetzwerk ganz einfach möglich.
Abb. 7: Gateways der Drittanbieter HMS, Hilscher und Woodhead
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