Operator Panel, Smart-Phone, PC, Browser, Leitsystem: Viele Anwender stehen heute vor der Situation, dass sie für die verschiedenen Arten von Anzeigen, Visualisierung und Bedienung eine Vielzahl unterschiedlicher Werkzeuge und Technologien einsetzen und dadurch oftmals dieselbe Arbeit mehrfach tun müssen. Nicht zuletzt deshalb ist ein Trend hin zu webbasierten Lösungen zu beobachten: Die Web-Technologie hat sich mittlerweile vom PC-basierten Scada-System bis hinunter auf den direkt in der SPS integrierten Webserver als die bevorzugte Lösung durchgesetzt, wenn es darum geht, für die unterschiedlichen Aufgabenstellungen eine Vereinheitlichung der eingesetzten Werkzeuge zu erreichen.

Dennoch gibt es heute noch kein Werkzeug am Markt, welches wirklich durchgängig auf allen Plattformen vom Low-Cost-Embedded-System bis hinauf zur Scada-Projektierung eingesetzt werden kann. Auch bei der Programmierung der Alarm- und Trendaufzeichnung gibt es noch viel Verbesserungspotenzial. An dieser Stelle setzt dieser Artikel an.

Basis der Überlegungen ist der Produktebaukasten Spidercontrol Tool-Chain der Firma Ininet Solutions, der vor allem als OEM-Lösung von vielen SPS-, Steuerungs- und Antriebsherstellern als Web-Visualisierung in deren Design-Flow integriert wird.

Von der Steuerung lesen

Web-Visualisierung direkt auf der SPS ist heute zu einem Standard geworden. So wird auf Codesys-kompatiblen Steuerungen häufig die direkt im IEC 61131-Programmierwerkzeug integrierte Web-Visualisierung Webvisu verwendet. Andere Hersteller setzen alternativ eine OEM-Version des Spidercontrol-HMI-Editors ein. Mit diesen Tools sind über die Jahre tausende von Projekten realisiert worden. In diesen Projekten steckt wertvolles Know-how, welches bisher isoliert auf der Steuerung brachlag.

Zur SPS IPC Drives im November 2013 kommt der neue Spidercontrol-Scada-HMI-Editor auf den Markt, der in der Lage ist, Web-Visualisierungen direkt von der Steuerung zu lesen und zu konvertieren. Der Anwender braucht lediglich die URL des entsprechenden HMI-Projektes auf der SPS anzugeben und das Tool importiert automatisch das ganze Projekt, welches übersichtlich als Thumbnails angezeigt wird. Aus dieser Auswahl können entweder ganze Seiten in ein Scada-Projekt eingefügt oder bestehende HMI-Objekte per Copy&Paste in neuen Seiten wieder verwendet werden. Der Import einer Variablenliste oder gar die Deklaration von Variablen sind nicht mehr nötig, da diese Informationen automatisch aus dem SPS-Projekt herausgezogen und in das Scada-Projekt eingefügt werden. Auf diese Weise kann der Anwender seine bestehenden Investitionen nicht nur erhalten, sondern auch in anderen Projekten weiter verwenden. Dem Programmierer stehen auf Anhieb eigene HMI-Bibliotheken zur Verfügung, welche im Scada-Editor nicht nur bearbeitet und erweitert werden, sondern auch die ganzen Client-Technologien von Spidercontrol erschließen können. So lässt sich etwa auch ein älteres Codesys-Webvisu-Projekt in eine erweiterbare HTML5-Visualisierung konvertieren.

Trend&Alarm-Harvesting

Viele Steuerungen können lokal Trendlogs und Alarmlisten anlegen. Dazu stehen entweder Funktionsbausteine in der SPS-Programmiersprache zur Verfügung oder die Trend- und Alarmaufzeichnung ist in der Firmware der SPS integriert und kann über das Programmierwerkzeug entsprechend konfiguriert werden. Ferner gibt es Protokolle wie beispielsweise BACnet, welche selbst Objekte definieren, die solche Aufzeichnungen bewerkstelligen. Für kleine Anlagen oder einfachere Aufgabenstellungen reichen diese steuerungsbasierten Möglichkeiten manchmal aus, sobald jedoch eine langfristige Aufzeichnung und Archivierung oder ein größeres Datenaufkommen nötig sind, braucht es eine übergeordnete Leitsystemfunktion. Bisher bedeutete das auch für diese Anforderung, dass der Programmierer zuerst die Treiber zu den Steuerungen konfigurieren, dann die Variablenlisten anlegen und schließlich die Alarm- und Trendaufzeichnung konfigurieren musste. Dazu gehörte ebenso die Eingabe der entsprechenden Meldetexte in den verlangten Sprachen. Das neue Scada kann nun eine Vielzahl gängiger Formate der Alarm- und Trendaufzeichnung auf der SPS erkennen, diese per Knopfdruck automatisch zentral zusammenführen und langfristig aufzeichnen. Auch für diese Funktion reicht die Angabe der URL zur SPS und das Tool zeigt die vorhandenen Logs der SPS an. Hieraus kann der Programmierer die für die zentrale Aufzeichnung gewünschten Logs auswählen und definieren, wie oft das Update von der Steuerung gemacht werden soll. So ist es möglich, den Scada-Server in Echtzeit die Spuren mit aufzeichnen zu lassen oder aber auch nur periodisch (täglich oder wöchentlich) zu synchronisieren und eine langfristige Archivierung anzulegen. Alle Informationen der Log-Aufzeichnung sowie die auf der SPS hinterlegten Meldetexte werden automatisch in das Scada übernommen, sodass sich hier eine Arbeitsersparnis ergibt.

Konvergenz von HTML5 und embedded

Was das Konzept der IEC 61131 für die Programmierung der SPS ausmacht, sollte ein Grafik-Editor für den Bereich der HMI bieten: Eine Abstraktionsebene zwischen der Programmierung und der Hardware beziehungsweise der Laufzeittechnologien. Dies ist eine Grundvoraussetzung dafür, dass die damit gezeichneten Projekte auf allen denkbaren Plattformen beziehungsweise Clients laufen können. Aus diesem Grund laufen Spidercontrol-HMIs heute als Microbrowser (in C implementiert), als Java-Applets sowie als HTML5-Clients, ohne dass der Programmierer irgendeine Anpassung an seinem Projekt machen muss.

Der Microbrowser bietet als Embedded-Client für solche Web-Visualisierungen einen neuen Ansatz: Die bisher auf Betriebssystemen wie WinCE eingesetzten Java Virtual Machines (JVM) oder HTML5 Kits haben einen immensen Speicherbedarf, was sich negativ auf die Geschwindigkeit und die Stabilität der Applikation auswirkt. Der Microbrowser vermeidet diese Probleme durch einen neuen Lösungsansatz: Die Webvisu-Applikation wird dabei auf einer höheren (semantischen) Ebene interpretiert, so dass eine Virtual Machine oder ein Script Interpreter im bisherigen Sinne nicht mehr notwendig ist. Die Webvisu-HMI läuft stattdessen auf der Microbrowser Engine. Der Speicherbedarf ist dabei um Faktoren geringer und auch der durch die virtuelle Maschine erzeugte Overhead wird komplett vermieden, was auch die Geschwindigkeit um ein Vielfaches erhöht. Der Micro­browser verfügt darüber hinaus über ein streng deterministisches Speichermanagement, was wiederum eine sehr solide Langzeitstabilität garantiert. Auf dieser Basis kann eine HMI Engine programmiert werden, welche auf praktisch jedes Betriebssystem portierbar ist.

Quantensprung der HMI-Hardware

Bisher basierte die Hardware-Architektur für die Ansteuerung eines TFT-Displays immer auf einem Konzept, wie es für einen PC üblich war: ein Mikroprozessor, externes DRAM, externes Flash sowie diverse Peripherie und darauf ein grafisches Betriebssystem wie WinCE oder Linux. Auch wenn die dazu notwendigen Chips laufend günstiger wurden, weist der mechanische Aufbau der Platine doch eine gewisse Komplexität auf, was dazu führt, dass die Möglichkeiten der Kostensenkung irgendwann ausgereizt sind.

Zur SPS IPC Drives kommen erste Produkte auf den Markt: So das TFT-Microbrowser-Panel mit 4,3 Zoll von Beck IPC für 170,- Euro Einzelverkaufspreis.

© Beck IPC

In der jüngsten Zeit sind nun Geräte auf Basis einer für die Anwendung als TFT-Panels bisher noch kaum verwendeten Embedded-Microcontroller-Architektur auf den Markt gekommen. Microcontroller sind integrierte Bausteine, welche Speicher und Peripherie auf dem gleichen Chip vereinen und dadurch den Aufbau der Hardware massiv vereinfachen. Da Microcontroller in riesigen Stückzahlen in praktisch allen elektrischen Geräten von der Waschmaschine bis zur Einspritzpumpe verbaut werden, sind damit extrem kostensparende Designs möglich. Durch die laufend fortschreitende Miniaturisierung der Elektronik sind nun erste Mikrocontroller auf dem Markt – etwa ARM Cortex M3/M4 – welche gerade genügend Speicher und Funktionen auf einem Chip vereinen, um die Funktion eines kompletten Panels auf einem solchen Einfachstsystem zu integrieren. Der Microbrowser wiederum kann dank seines extrem kompakten Designs, auf diese Microcontroller portiert werden und dort auch ganz ohne Betriebssystem funktionieren. Das führt dazu, dass in absehbarer Zeit erstmalig TFT-Panels zu einem Preis unter 100,– Euro auf den Markt kommen werden.

Befürchtungen, eine solche Hardware könne bei der Performance oder den grafischen Möglichkeiten mit den größeren Plattformen nicht mithalten, treffen nicht zu: Diese Microbrowser implementieren den kompletten Umfang der Spidercontrol Toolchain und sind von der Performance her sogar schneller als die meisten ihrer ARM9-basierten Linux- oder WinCE-Pendants.

Aufgrund der Kostenvorteile dieser neuen Hardware-Generation ist davon auszugehen, dass im Bereich der Panels bis zu einer Größe von 7 Zoll eine relativ rasche Ablösung der heute dominanten WinCE- und Linux-Plattformen stattfinden wird. Bei größeren Auflösungen sind die LCD-Module bisher noch vergleichsweise teuer, weshalb die Elektronik für das Gesamtprodukt einen noch nicht so großen Einfluss hat; es gibt jedoch bereits heute Panels auf Basis dieser Microcontroller-Architektur bis hinauf zu 15 Zoll (XGA).

Bei einem Preis von weniger als 100,- Euro pro Panel ist davon auszugehen, dass die Stückzahlen für diese kleinen Geräte massiv steigen werden, indem sie andere Komponenten wie Schalter, Leuchttasten und Lampen ersetzen. Grund ist: Der Preisunterschied ist praktisch nicht mehr vorhanden, dafür wird die Verkabelung und damit die Installation viel einfacher und die Flexibilität um ein Vielfaches erhöht.

Autor: Peter Brügger ist Geschäftsführer von iniNet Solutions in Muttenz, Schweiz.