Bei klassischen Automatisierungslösungen in Maschinen und Anlagen steht die SPS als zentrales Automatisierungssystem im Vordergrund. Für die Visualisierung und Interaktion mit dem Nutzer stehen konfigurierbare Visualisierungstools zur Verfügung. Kennzeichen dieser Automatisierungsstruktur ist die Trennung von Steuerung und Visualisierung bei der Projektierung, die sich auch in den entsprechenden Programmier- und Designwerkzeugen widerspiegelt.

Die Programmierung erfolgt zumeist in einer der IEC-61131-konformen Programmiersprachen. Das HMI (Human Machine Interface) wird über Tools wie WinCC, Intouch oder Lookout der Firma National Instruments konfiguriert. Charakteristisch für modernere Implementierungen sind frei programmierbare Echtzeit-Lösungen mit einheitlicher Entwicklungsumgebung für Steuerungslogik und Visualisierung. In der Prüfstandsautomation bildet dieses Automatisierungskonzept eine technologische Brücke zwischen Automatisierung und Messtechnik mit Programmable Automation Controllern (PAC) als Basis.

Abhängig von der konkreten Aufgabenstellung entstehen aus beiden Automatisierungskonzepten heraus immer wieder Varianten, die sogenannten hybriden Lösungen.

SPS und HMI – der Klassiker

Die Domäne klassischer Automation mit getrennter SPS und Visualisierung: Projekte mit tausenden von I/Os, wie sie AMC beim Sanierungsvorhaben des Uran-Tagebaus in Königsstein realisiert hat.

© AMC, National Instruments

Ein Beispiel, das den klassischen Automatisierungsansatz verlangt, ist das von AMC realisierte Prozessleitsystem für das Sanierungsvorhaben der Firma Wismut am Standort Königsstein. Auf dem ehemaligen Uran-Abbaugelände sind über 20 000 I/O-Punkte Über- und Untertage auf einem mehr als 10 km² großen Areal verstreut.

Die Einbindung diverser Steuerungen verschiedener Hersteller sowie hunderter dezentraler Mess- und Steuerkomponenten ist eine weitere Besonderheit des Projekts. Grundlage für die Automatisierung sind aufgrund der heterogenen Systemstruktur verschiedene IEC-61131-konforme Entwicklungsumgebungen. Als Visualisierungstool kommt Lookout von National Instruments zum Einsatz, dessen einfache Konfigurierbarkeit die fast wöchentlichen Modifikationen der Visualisierung erleichtert. Die Änderungen ergeben sich aus dem Fortschritt der Sanierungsarbeiten beim Rückbau des ehemaligen Laugungs-Bergwerks. Größter Nachteil einer solchen Anwendung ist die Notwendigkeit, sehr unterschiedliche Entwicklungsumgebungen zur Konfiguration der Prozess- und Leitebene verwenden zu müssen.

Damit verbunden ist eine hohe TCO (Total Cost of Ownership). Ein typisches Szenario für Hybridlösungen ist die Einbindung PC-gestützter Datenerfassungssysteme in ein Automatisierungsprojekt und die daraus resultierenden Rückwirkungen auf den Produktionsprozess. Solche Lösungen sind mittlerweile in vielen Bereichen anzutreffen, beispielsweise im Prüffeld für Elektromotoren des Unternehmens Salzgitter: Das komplette Prüffeld inklusiver aller Hoch-, Mittel- und Niederspannungsanlagen wird über eine S7-Steuerung kontrolliert. Zur Messwert-Erfassung, Bestimmungvoncharakteristischen Kennwerten sowie zur Datenspeicherung und Protokollierung wird ein Industrie-PC mit integrierten Datenerfassungskarten verwendet.

Dies betrifft vor allem solche Signale, die mit Abtastraten im KHz-Bereich erfasst werden. Nach der Bewertung, entsprechender Filterung und Analyse der erfassten Daten werden daraus Signale zur weiteren Verwendung im Prozess generiert. Bei dieser Applikation kommen mindestens zwei Entwicklungsumgebungen zum Einsatz: Neben der Entwicklungsumgebung Step 7 für die SPS erfolgt die Programmierung der Messdaten-Erfassung, Analyse und Protokollierung über Labview.

Synthese aus Automation und Messtechnik

Messwert-Erfassung in Prüfständen: Der Auswerte-Software sieht man nicht an, dass sie im Hintergrund auch die Abläufe in der SPS koordiniert.

© AMC, National Instruments

Programmable Automation Controller vereinen die Vorteile einer SPS mit der freien Programmierbarkeit und Leistungsfähigkeit PC-gestützter Automation und Messtechnik. Ein typischer Vertreter ist die PAC-Plattform Compact- RIO in Verbindung mit der grafischen Entwicklungsumgebung Labview. Für den Einsatz von PAC-Systemen in der Automatisierung wird vor allem die nahtlose Integration von Standard-SPS-Funktionen verlangt.

Dies betrifft insbesondere die Verwendung von konfigurierbaren Funktionsbausteinen und die Einbindung der zyklischen I/OScans (Prozessabbilder). Dieses wichtige Feature wurde mit der Labview-Version 8.6 eingeführt. Zudem erweiterte die Entwicklung ethercatbasierter Knoten die Einsatzbandbreite der Module als dezentrale Peripherie. Das im CompactRIO-System integrierte FPGA (Field Programmable Gate Array) erschließt spezielle Bereiche in der Messdaten-Erfassung sowie der Steuerung und Regelung. 

Es lassen sich beispielsweise per FPGA hochdynamische I/O-Signale im Zeitraster von 25 ns erfassen oder PID-Regler mit bis zu 40 kHz Systemtakt im Remote-I/O realisieren. Ebenso können Beschleunigungsaufnehmer oder Sensoren mit Brückenschaltung ohne Probleme eingebunden werden. Aufgrund der direkten I/O-Kopplung sind darüber hinaus Operationen mit den analogen Daten inklusive deren Pufferung, simultaner Erfassung, Anti-Aliasing, Skalierung und Triggerung möglich. Alle diese Aufgaben lassen sich mit einer herkömmlichen SPS nur mit viel Aufwand realisieren - meist allerdings überhaupt nicht.

Messtechnik-Software mit HMI-Tool kombiniert

Programmable Automation Controller im Einsatz: Compact-RIO mit FPGA für die hochdynamische Bearbeitung der Analogsignale und Regelstrecken.

© AMC, National Instruments

Eine weitere Standardfunktionalität, die ein PAC-System abdecken muss, ist die einfach zu konfigurierende Kommunikationsschicht zur Bedienebene, der Visualisierung. Labview stellt hierfür sogenannte Shared-Variables (Umgebungsvariablen) als Virtuelles Instrument (VI) bereit. Damit kann der Projekteur eine einheitliche Kommunikationsebene für alle Zielsysteme generieren. Aufgrund der Speicherplatzanforderungen ist der Einsatzbereich dieser Technologie jedoch auf kleinere Anwendungen mit etwa 100Variablen beschränkt. Visualisierungs-Applikationen können aber leicht mehrere tausend I/OPunkte umfassen, so dass das entsprechende VI eine Größe annehmen würde, die nicht mehr handhabbar wäre.

In solch umfangreichen Visualisierungen bietet sich als Alternative der Einsatz von Kommunikationsstrukturen auf Low-Level-Ebene an, beispielsweise UDP oder TCP/IP. Für unerfahrene Anwender sind diese jedoch sehr aufwendig zu implementieren. Die Firma AMC hat hierfür in einem iterativen Entwicklungsprozess über mehrere Jahre eine Alternative zu den Umgebungsvariablen entwickelt. Die Komponente „Test-IT! Portal Services" verfügt über Client- und Serverkomponenten und ist sowohl multiclient- als auch multiserverfähig. Etwaige Sonderfunktionen, wie das Laden und Speichern des Prozessabbilds über Dateien, wurden ebenfalls implementiert, so dass das ausfallsichere Speichern von Vorgabewerten für Prozesse und Anlagen ebenfalls gewährleistet ist. Außerdem gibt es eine Komponente zum Streaming von Messdaten mit hohem Durchsatz.

Eine weitere Standardfunktion aus der klassischen Automatisierung, die ein PAC beherrschen muss, ist die konfigurationsbasierte Darstellung von Maschinen- und Anlagenzuständen. Die grafische Programmierumgebung von National Instruments stellt hierfür das Toolkit Datalogging & Supervisory Control Toolkit (DSC) zur Verfügung. Es beinhaltet Features wie konfigurationsbasierte Alarmund Ereignisverwaltung, Speichern von Messwerten in historischen Datenbanken, integrierte Benutzerverwaltung und Zugriff auf vernetzte Datenbankstrukturen. Allerdings sind seit der Version 8.0 des Zusatzmoduls und insbesondere beim Einsatz unter den neueren Windows-Betriebssystemen teilweise sehr komplizierte Einstellungen in den vorhandenen Diensten und DCOM-Einstellungen notwendig, um Zugriff auf die Tags eines Standard-OPC-Servers zu erhalten.

Mehr Aufwand und Sorgfalt bei der Programmierung notwendig

Die Verwaltung und Bearbeitung einer großen Variablenzahl verursacht daher viel Aufwand bei der Konfiguration. Ebenso kann es beim Einsatz webbasierter Technologien durch die ActiveXSteuerelemente des DSC zu EinschränkungenindenVisualisierungsfunktionen kommen. Abhilfe schaffen die Funktionserweiterungen der Komponente „Alarms" zur Verwaltung, Speicherung und Protokollierung von Alarmen sowie Fehlern und Bedienerhandlungen.

Zur langfristigen Speicherung von historischen Messdaten wurde auf Basis von Microsoft SQL-Server 2008 und Labview die Komponente „Data-Pool" entwickelt, die den Messwerten und Ergebnissen verschiedene Seriennummern und Aufträge zuordnen kann. Die Erfahrungswerte aus unterschiedlichen Projekten zeigen, dass Labview in den letzten Jahren deutliche Verbesserungen im Bereich der industriellen Automatisierung erfahren hat. Vor allem in Kombination mit Programmable Automation Controllern entstehen interessante Alternativen zu traditionellen Lösungen.

Ein nicht zu unterschätzender Vorteil resultiert aus der einheitlichen grafischen Programmier- und Entwicklungsumgebung: Die Entwicklungskosten einer Automatisierungslösung sinken. Allerdings muss berücksichtigt werden, dass aufgrund der Freiheitsgrade mehr Aufwand und Sorgfalt bei der Programmierung notwendig sind. Dies betrifft vor allem den Bereich der industriellen Automatisierung. Eine hochverfügbare und echtzeitfähige Lösung auf Basis von Labview und PAC zu erstellen, setzt allerdings Know-how und tiefes Verständnis der grafischen Programmierung voraus.

Autor: Andreas Rzezacz ist Teamleiter Labview bei der Firma AMC - Analytik & Messtechnik in Chemnitz.