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01 „iX HMI SoftControl“: HMI und SPS in einem Gerät vereint. Die Familie beinhaltet sechs Varianten von 4,3 Zoll bis 15 Zoll

Das Beste aus zwei Welten

02 Die einzelnen Visualisierungslösungen im Vergleich: Preis: Gesamtkosten der Lösung (++ = niedriger Preis, — = hoher Preis), Komplexität: Umfang des zu steuernden Prozesses (++ = großer Funktionsumfang realisierbar, — = geringer Funktionsumfang realisierbar), Anzahl IO: Anzahl der verwendbaren Ein/Ausgabepunkte (++ = hohe Anzahl, — = geringe Anzahl), Usability: Level der Benutzungsfreundlichkeit, z. B. Handling, Einarbeitung und Pflege (++ = hohe Usability, — = geringe Usability) sowie Engineering-Aufwand: Gesamt-Projektierungsaufwand (++ = geringer Aufwand, — = hoher Aufwand)

03 „iX SoftControl“ ist via Ethercat, Modbus RTU oder Modbus TCP mit handelsüblichen IO-Baugruppen kombinierbar und kann zudem über Standard- SPS-Protokolle mit weiteren Steuerungen Daten austauschen

04 „iX“-Developer: Mit wenigen Mausklicks wird die SPS-Funktionalität mit der Visualisierung verbunden

Mittlerweile existiert eine Vielzahl an Visualisierungslösungen am Markt: Der Anwender kann unter anderem zwischen Web- oder PC-basierten, komplexen Scada-Lösungen, klassischer Hardware-SPS plus HMI-Panel oder einer kombinierten Einheit aus Steuerung und HMI wählen. Damit steht für jede Prozessvisualisierung die passende Lösung bereit. Um die richtige Lösung für die jeweilige Applikation zu finden, sollten Funktionsumfang, Projektierungsaufwand und die Kosten der jeweiligen Lösung gegenübergestellt werden.

Für eine Vielzahl von Anwendungen ist eine kombinierte Lösung aus Steuerung und HMI vorteilhaft, weil sie die besonderen Eigenschaften beider Komponenten zusammenführt. Dadurch werden Kosten sowie Platz gespart und es bleibt gleichzeitig genügend Flexibilität für die Ankopplung unterschiedlicher EA-Baugruppen. Mittlerweile existiert aber auch schon eine große Zahl solcher Kombisysteme am Markt. Deshalb hat sich Beijer Electronics im Vorfeld der Entwicklungsarbeit einer eigenen Lösung (Bild 1) die Frage gestellt: Was muss eine solche Lösung mitbringen, damit sie sich vom Rest unterscheidet? Dazu wurden zunächst die verschiedenen Systemlösungen betrachtet und deren unterschiedliche Ansätze analysiert (Bild 2).

HMI und Hardware-SPS
Eine der am häufigsten eingesetzten Visualisierungslösungen ist die Kombination aus klassischer Hardware-SPS und HMI-Panel. Der Grund dafür liegt in der großen Zahl von Anbietern auf beiden Seiten mit unterschiedlichsten Ausprägungen. Differenzieren sich die einzelnen SPS in ihrer Performance, den ankoppelbaren IO-Modulen, Motion- und Safety-Funktionen, der Vernetzung und dem Preis, gehen bei den HMI-Lösungen neben der Rechenleistung für Kommunikation, Grafik und Datenverarbeitung zusätzlich die Qualitäten der Projektierungsumgebung für die Oberflächengestaltung weit auseinander. So liefert der eine Anbieter umfangreiche Bibliotheken für Grafikobjekte, Seitenvorlagen und Stilrichtungsauswahl mit, der andere bietet dagegen weniger reich ausgestattete Vorlagen. Nahezu perfekt wird die HMI-Umgebung, wenn der Anwender die vorhandenen Funktionen nach eigenen Vorstellungen abändern kann und somit Know-how in seine Oberfläche einbringt, über das nur er verfügt und ihm einen Wettbewerbsvorteil verschafft. Diese kombinierte Lösung hat ihre Stärken in der Vielfältigkeit der Einsatzbereiche sowie in der nahezu unbegrenzten Ausprägung der Anwendung. Sie hängt häufig von der Erweiterungsmöglichkeit der angeschlossenen Steuerung ab und dem erforderlichen Investment für alle Arten von IO. Zu berücksichtigen ist, dass der Anwender zwei voneinander unabhängige Programmierumgebungen kennen und beherrschen muss. Ebenso müssen die Kommunikationsprotokolle und die Datenübergabe abgestimmt sein. Die Anschaffung eines solchen Systems wird meistens bei zwei verschiedenen Lieferanten getätigt, die beide bezahlt werden wollen.

Web-Visualisierung
Die Web-Visualisierung basiert auf einer Client-Server-Struktur. Hierbei werden separate oder existierende IT-Netzwerke genutzt, auf die sogenannte Web-Clients aufgeschaltet werden. Sie zeigen in einem Browser-Fenster die notwendige Bedienoberfläche mit Prozessdaten an, die in dem Web- Server hinterlegt ist. Der größte Vorteil hierbei ist der Anschaffungspreis: Häufig werden bestehende Leitungstopologien genutzt und zur Visualisierung genügt ein Standard-Webbrowser, der auf einem Monitor, einem Panel oder einem einfachen PC läuft. Es stellt sich kein Treiber- oder Ankopplungsproblem, und es müssen auch keine Runtime-Lizenzen für die Panel erworben werden. Das Visualisierungskonzept über solche Web-Clients kommt dann an seine Grenzen, wenn die Anwendung eine gewisse Komplexität überschreitet. So sind die Erfassung und das Abspeichern von Maschinendaten und Störmeldungen (Datenlogging) im Client oft nicht realisierbar. Hinzu kommt die Abhängigkeit von der als Web-Server ausgelegten Steuerung. Sie ist der Flaschenhals für alle benötigten Funktionen. Sind sie im Leistungsumfang nicht vorhanden, gibt es keine Erweiterungsmöglichkeit. Die Projektierung der Bedienoberflächen ist ebenfalls vollkommen abhängig vom mitgelieferten Editor. Kommt der Anbieter aus der HMI-Richtung, wird er vermutlich komfortable Visualisierungsfunktionen mitbringen. Ist die Steuerungsseite das ursprüngliche Betätigungsfeld, kann es passieren, dass der Projektierer eher eine spartanische Oberflächengestaltung vorfindet und nur schwer eine bedienerfreundliche Prozessgestaltung entwerfen kann.

Die Scada-Lösung
Scada-Lösungen (Supervisory Control and Data Acquisition) kommen dann zum Einsatz, wenn komplexe vernetzte Anlagen und Prozesse sowohl auf lokaler als auch zentraler Ebene überwacht und gesteuert werden sollen. Das bedeutet, dass Prozessdaten gesammelt und an übergeordnete Leitsysteme weiter vermittelt werden. Eine oder mehrere SPS überwachen und steuern im Feld; PC oder Client-Monitore dienen zur Benutzereingabe und stellen den gesamten Ablauf bildlich dar. Bei diesem Visualisierungskonzept gibt es keine Limitierung in Bezug auf IO oder zu vernetzende Eingabestationen. Der Entwicklungsaufwand ist sicherlich höher als bei kleineren Projekten, doch mittlerweile bieten die Scada-Hersteller komfortable Editoren, die in Sachen Oberflächenerstellung kaum Wünsche offen lassen. Zu berücksichtigen ist auch hier, dass eine separate Steuerungsprogrammierung von Nöten ist, selbst wenn das Scada-Paket im Rahmen der Bildgestaltung automatisch einen SPS-Code erzeugen kann. Es liegt nahe, dass solche Lösungen in der Regel einem höheren finanziellen Aufwand bedürfen als andere HMI-Konzepte. Nicht zuletzt aufgrund der Runtime-Lizenzen der einzelnen Hersteller, die in der Regel IO-gebunden berechnet werden, lohnt sich diese Art zum Bedienen und Beobachten zumeist nur für die großen Prozessvisualisierungen.

Kombination aus HMI-Panel und SPS-Funktionen
Für eine Vielzahl von Anwendungen stellt ein integriertes SPS-HMI-System die ideale Lösung dar. Möglich wird das Konzept durch die hohe Leistungsfähigkeit der Prozessoren. Sie übernehmen neben der Datenaktualisierung der grafischen Prozessdarstellung gleichzeitig die strukturierte Verarbeitung der Steuerungsdaten. Die CPU-Priorität liegt dabei immer auf dem Steuerungsteil. Das Panel verfügt entweder über eigene Ein-/Ausgänge oder bietet die Ankopplungsmöglichkeit für unterschiedliche Remote-IO und ist dadurch flexibel in der Ausprägung der Anwendung. Obwohl der Umfang der zu verarbeitenden digitalen und analogen Signale in der Regel nicht ganz an den leistungsstarker Hardware-SPS heranreicht, lassen sich mit HMI-Steuerungen umfangreiche Applikationen realisieren. Zu nennen sind Verpackungsanlagen, Montageautomaten, Licht-, Tür-, Klima- und Belüftungssteuerungen sowie Produktionsmaschinen aller Art. Abgesehen vom geringeren Platzbedarf ist sicherlich der Preisvorteil eines Kombigeräts ein wichtiges Entscheidungskriterium. Insbesondere Serienmaschinenhersteller mit überschaubarer Steuerungsfunktionalität profitieren von der Zusammenführung der SPS-Visualisierung. Immer mehr in den Fokus der Maschinenbauer rückt zudem die Benutzungsfreundlichkeit ihrer Anlage. Die intuitive Bedienung und der damit verbundene geringere Schulungs- und Wartungsaufwand sind wichtige Verkaufsargumente. Und dabei spielt ein Kombisystem seine Vorteile aus, wenn die Lösung HMI-basiert aufgesetzt wurde.

SPS-HMI mit Codesys
Um seinen Kunden ein möglichst breites Angebot an Visualisierungslösungen aus einer Hand anbieten zu können, hat Beijer Electronics in seine HMI-Lösung „iX“ eine Steuerung integriert. Als herstellerunabhängiges Automatisierungs- Tool kommt Codesys zum Einsatz. Die Bedienpanels der „iX“-Serie in den Größen von 4,3 Zoll bis 15 Zoll arbeiten mit Codesys V3.5. Das Ergebnis heißt „iX HMI SoftControl“ und steht in zwei Leistungsklassen zur Verfügung: Als „TxA“-Serie für kleine bis mittlere Anwendungen und für komplexere Aufgaben als „TxB“- Serie. Komplettiert wird das Paket durch intelligente Ein-/Ausgangsmodule. Diese, von vielen Herstellern angebotenen IO-Module, werden per Ethercat, Modbus RTU oder Modbus TCP mit den Touchterminals verbunden (Bild 3).

Visualisierung auf hohem Niveau
Als Entwicklungsumgebung verwendet der Anwender den „iX“-Developer, mit dem er die komplette Visualisierung erstellen kann. Dabei helfen Navigationsfunktionen sowohl ihm als auch dem Endanwender, Einarbeitungszeit einzusparen. Das sogenannte Action- Menü, als .Net Control im Developer zu finden, bringt eine mehrstufige Bedienstruktur platzsparend auf den Touch-Bildschirm. Die Prozessnavigation ist ein elementarer Bestandteil, der oftmals viel Zeit in Anspruch nimmt. Der Projektingenieur entwirft die Menüstruktur mit vordefinierten Funktionen, wie Bildschirmausdruck, Reportgenerator oder Seitenwechsel, nur einmal und nutzt sie in weiteren Untermenüs ohne zusätzlichen Aufwand. Dadurch können auch kleinere Bedienpanel mit bis zu 10-Zoll-Touchdisplay zur komfortablen Prozessvisualisierung zum Einsatz kommen. Mit den Rollerpanels lassen sich Stellwerte durch einfaches Fingerwischen gezielt einstellen. Animierte Labels dienen als flexible Klartextanzeige, wie sie von früheren Maschinenvisualisierungen her bekannt sind. Heutzutage ist eine Laufschrift jedoch frei auf dem Bildschirm platzierbar, ebenso die Laufrichtung. Durch die Textbewegung wird der Anwender sofort aufmerksam, wenn eine wichtige Meldung ansteht.

Steuerung vor Bedienung
Doch bevor mit der Visualisierung begonnen wird, steht zunächst die Steuerungsdisziplin im Vordergrund. Der Projektingenieur wählt in der Codesys- Umgebung einmalig das anzukoppelnde Gerät aus einer Anbieterliste und stellt die Verbindung her. Anschließend definiert er seine Variablen und entwickelt das eigentliche SPS-Programm. Ist dies erledigt, erzeugt er eine Variablendatei, die später auf das gewünschte Bedienpanel übertragen wird. Nachfolgend legt er das Protokoll fest, mit dem später die IO-Klemmen angesprochen werden sollen. Zur Verfügung stehen, je nach Gerätetyp, Ethercat, Modbus RTU oder Modbus TCP. Zusammen mit dem SPS-Programm überträgt er die Konfiguration auf das „iX“-Touchpanel. Sind die Steuerungsroutinen in Codesys getestet, simuliert und für fehlerfrei befunden, geht es an die Umsetzung der Bildschirmseiten. Im Projektassistenten des „iX“-Developers wählt der Projektierer eine von sechs verschiedenen Gerätetypen aus. Als Nächstes folgt die Zuweisung des Codesys-Treibers und anschließend der Import der vorher generierten Variablendatei. Damit ist die Konfiguration der Soft-SPS fertig (Bild 4). Nun beginnt die Entwicklung der einzelnen Bedienoberflächen mit all den Funktionen, die der Developer standardmäßig bietet. Grafikobjekte, wie Anzeige und Eingabefelder, werden wunschgemäß platziert und – dank der XML-Liste – die Variablen aus einer Auswahlliste per Klick verbunden.

Fazit
Die Kombination einer komfortablen Visualisierung mit der bekannten SPS-Programmierung nach IEC 61131-3 ist für eine Vielzahl von Steuerungsaufgaben ideal geeignet. Durch den Status als etablierter Programmierstandard ist die langfristige Produktpflege von Codesys gesichert und die Anzahl erfahrener Programmierer groß. Dabei stellt Beijer Electronics seine Lösung als besonders vorteilhaft heraus, wenn der Anwender großen Wert auf benutzungsfreundliche Prozesskontrolle legt. (ih)

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Autor:
Dirk Hartmann verfasste den Beitrag für Beijer Electronics GmbH in Unterensingen. marketing@beijerelectronics.de