Anbindung von NI-Modulen an Industrienetzwerke

1. Industrielle Kommunikationstechnik – Übersichtstabelle

In dieser Tabelle sind alle NI-Produkte für die industrielle Kommunikation samt ihrer Formfaktoren aufgeführt.

Nachfolgend wird jedes dieser Protokolle kurz erläutert und die zugehörige NI-Hardware und -Software vorgestellt.

Back to Top

2. Modbus TCP und Modbus Serial

Modbus TCP und Modbus Serial sind zwei der am häufigsten genutzten Industrieprotokolle auf dem Markt. Seit LabVIEW 8.0 ist native Unterstützung für Modbus TCP und Modbus Serial an jedem Ethernet- bzw. seriellen Anschluss über zwei LabVIEW-Add-on-Module verfügbar: das LabVIEW Real-Time Module und das LabVIEW Datalogging Supervisory Control (DSC) Module. Mit beiden Modulen lässt sich ein I/O-Server für Modbus TCP oder Modbus Serial über einen grafischen Konfigurationsassistenten erstellen. Mit nur wenigen Mausklicks kann ein Anwender einen Modbus Master oder Slave erstellen und die unterschiedlichen zu lesenden und zu schreibenden Register festlegen. Dieses Video zeigt, wie ein Modbus-I/O-Server mit LabVIEW erstellt wird.

Abb. 1: Ein Modbus-I/O-Server kann mittels LabVIEW Real-Time und dem LabVIEW DSC Module erstellt werden.

Ist eine ältere Version von LabVIEW im Einsatz oder stehen die Module LabVIEW Real-Time oder DSC nicht zur Verfügung, dann kann die kostenlose LabVIEW Modbus Library verwendet werden, mit der Modbus-Master- oder Slave-Anwendungen über Ethernet- oder seriellen Ports entwickelt werden können. Sie stellt einen Satz von Low-Level-VIs bereit, um dem Anwender mehr Flexibilität, Leistung und Benutzerdefinierbarkeit zu bieten. Nach dem Herunterladen der LabVIEW Modbus Library kann der Anwender direkt mit der Programmierung von Modbus-Anwendungen beginnen.

Abb. 2: Die LabVIEW Modbus Library bietet maschinennahe Funktionen für mehr Flexibilität und Leistung.

Modbus TCP ist ebenfalls ein hilfreiches Werkzeug für die Nutzung von Gateways für eine Vielzahl von Anschlussoptionen. Nähere Informationen zu diesem Thema bietet die Webseite Third-Party Gateways.

Back to Top

3. PROFIBUS

Bei PROFIBUS handelt es sich um ein serielles RS485-Protokoll, das ursprünglich in Europa entwickelt wurde und jetzt zu den bekanntesten Feldbustypen weltweit gehört. Dank über 25 Mio. installierter Knoten ist PROFIBUS der Kommunikationsstandard für speicherprogrammierbare Steuerungen in der Automatisierung von Siemens, für intelligente Sensoren, Aktoren und I/O. PROFIBUS wird am häufigsten in den zwei nachfolgenden Varianten eingesetzt: DP (Dezentrale Peripherie), die NI unterstützt, sowie PA (Prozess-Automatisierung), die weniger genutzt wird.

 
Abb. 3: NI bietet PROFIBUS-Schnittstellenkarten für PXI und PCI zur Bereitstellung von Master- und Slave-Unterstützung.

Die PCI- und PXI-Schnittstellenmodule (1 Anschluss) von National Instruments für PROFIBUS erlauben PC-basierte Controller als Master oder Slave an industrielle PROFIBUS-Netzwerke anzubinden. Die PROFIBUS-Schnittstellenmodule beinhalten einen Stand-alone-Konfigurator und einen NI-LabVIEW-Treiber für HMI- und SCADA-Anwendungen. Des Weiteren können die Module für automatisierte Prüfanwendungen mit PROFIBUS-Geräten eingesetzt werden. Die Programmierschnittstelle (API) wird durch LabVIEW und das LabVIEW Real-Time Module unterstützt und beinhaltet vorgefertigte Beispiele, für den einfachen und schnellen Einstieg.

Back to Top

4. EtherCAT

Bei EtherCAT (Ethernet Control Automation Technology) handelt es sich um ein leistungsstarkes Kommunikationsprotokoll für deterministisches Ethernet im industriellen Umfeld. Dieser offene Standard wurde als Teil der Norm IEC 61158 veröffentlicht und implementiert eine Master-Slave-Architektur über Standard-Ethernet-Kabel (für gewöhnlich in einer Linientopologie). Als Steuerbus liegt sein Schwerpunkt auf dem Bereich deterministischer Hochgeschwindigkeits-I/O für Einzelpunktanwendungen, z. B. in der Maschinen- und Motorsteuerung.

Das Angebot von National Instruments umfasst Master- und Slave-Geräte, die mit dem EtherCAT-Standard kompatibel sind. Als Master-Controller können echtzeitfähige NI-PACs mit zwei Ethernet-Anschlüssen an den NI-CompactRIO-, PXI- und Industrie-Controller-Plattformen eingesetzt werden NI bietet auch den weltweit ersten EtherCAT-Slave mit FPGA-Intelligenz zur integrierten Signalverarbeitung: das Erweiterungschassis NI 9144 für I/O-Module der C-Serie mit acht Steckplätzen.

Abb. 4: Der CompactRIO-Controller ermöglicht eine einfache Steckplatzerweiterung durch das modulare EtherCAT-Slave-Chassis NI 9144.

Zur Programmierung des NI-Master-Controllers greift das LabVIEW Real-Time Module auf die physikalischen Kanäle des Slaves mittels der einfachen, per Mausklick verschiebbaren I/O-Variablen zu. Mit dem LabVIEW FPGA Module kann auch Logik auf dem FPGA des Chassis NI 9144 programmiert werden, so dass die Antwortzeit durch Entscheidungsfindung am Knoten verkürzt werden kann. Außerdem können diese intelligenten verteilten Geräte die Rechenlast des Master-Controllers durch integrierte Analysen, anwenderdefiniertes Timing und Signalmanipulation reduzieren, bevor sie anschließend die Ergebnisse wieder dem Host übergeben.

Abb. 5: LabVIEW bietet einfache grafische Programmierwerkzeuge für den NI-EtherCAT-Master-Controller und den FPGA-Chip des Erweiterungschassis NI 9144.

Back to Top

5. EtherNet/IP

EtherNet/IP ist ebenfalls ein Echtzeit-Ethernet-Protokoll. Es wird von der Open DeviceNet Vendors Association (ODVA) verwaltet und häufig in speicherprogrammierbaren Steuerungen von Rockwell Automation (Allen-Bradley) verwendet. Es kommuniziert mittels TCP/IP und UDP/IP über Standard-Ethernet und nutzt eine Master- (Scanner) und Slave- (Adapter) Netzwerkarchitektur.

NI bietet den EtherNet/IP Driver for Industrial Communication kostenlos als Download auf NI Labs an. Der Treiber bietet Unterstützung für LabVIEW, das auf Windows-Betriebssystemen ausgeführt wird (z. B. Desktop-PCs), sowie in allen NI-LabVIEW-Echtzeitsystemen (wie PXI, CompactRIO und Bildverarbeitungscontroller). Mit Installation der Software auf einem Controller stehen dem Anwender LabVIEW-Funktionen für explizite Nachrichten (Explicit Messaging) und Adapterkommunikation zur Verfügung. LabVIEW kann mittels der expliziten Nachrichtenverarbeitung Tags auf einer speicherprogrammierbaren Steuerung (SPS) auslesen und beschreiben, wie z. B. die Serien RSLogix 5000 und RSLogix 500. Durch Adapterkommunikation agiert LabVIEW als Slave (Adapter) und kann einer dezentralen SPS implizierte I/O-Daten bereitstellen.

Abb. 6: Der EtherNet/IP Driver for Industrial Communication bietet explizite Nachrichten (Explicit Messaging) und Adapterkommunikation für LabVIEW.

Back to Top

6. DeviceNet

DeviceNet ist ein weiteres, ausgereifteres Industrieprotokoll, das die ODVA verwaltet und ebenfalls in den speicherprogrammierbaren Steuerungen von Rockwell Automation (Allen-Bradley) eingesetzt wird. Im Gegensatz zu Ethernet/IP, das auf der physikalischen Schicht von Ethernet basiert, beruht DeviceNet auf der physikalischen Schicht von CAN. Das Protokoll erhöht die Leistung und Anbindungsmöglichkeiten, indem es verschiedene Parameter spezifiziert, darunter erforderliche Kabellänge, Anschlüsse und Baudraten.

NI bietet zwei Schnittstellenplattformen an: DeviceNet-Control und DeviceNet-Test. DeviceNet-Control bietet Master- (Scanner) Schnittstellen für PCI und PXI, mit denen sich ein Netzwerk mit DeviceNet-Slaves leicht verwalten und steuern lässt. Bestandteil dieser Schnittstellen ist die Software NI-Industrial Communications for DeviceNet, die eine High-Level-API liefert, welche verschiebbare I/O-Variablen und Funktionsblöcke für explizite Nachrichten unterstützt. DeviceNet-Test-Schnittstellen für PCI, PXI und PCMCIA verfügen über Master- (Scanner) und Slave- (Adapter) Unterstützung und sind somit am besten für den Test von DeviceNet-Produkten geeignet. Die im Lieferumfang enthaltene Software beinhaltet einen Konfigurator, einen Analysator und den NI-DNET-Treiber, der maschinennahe Funktionen zur Erstellung benutzerdefinierter DeviceNet-Anwendungen bietet.

Abb. 7: Die DeviceNet-Schnittstellen von NI wurden für Prüf-, Steuer- und Regelanwendungen konzipiert.

Back to Top

7. CANopen

CANopen ist ein High-Level-Protokoll, das ebenfalls auf der physikalischen Schicht von CAN aufbaut und als standardisiertes, hochflexibel konfigurierbares Embedded-Netzwerk entwickelt wurde. Das ursprünglich für Motorsteuerungsanwendungen konzipierte Protokoll CANopen ist in zahlreichen Industriebereichen weit verbreitet, z. B. bei medizinischen Geräten, Geländefahrzeugen, öffentlichen Verkehrsmitteln und in der Gebäudeautomatisierung.

Für CANopen-Master-Funktionen bietet National Instruments die LabVIEW-Bibliothek für CANopen, die bedienfreundliche High-Level-Funktionen in LabVIEW bereitstellt, um CANopen-Master-Anwendungen zu erstellen. Sie 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. Da die CANopen-Funktionen auf der NI-CAN-Treibersoftware aufgesetzt sind, können alle CAN-Hochgeschwindigkeitsgeräte der NI-Serie 2 als voll funktionsfähige CANopen-Master-Schnittstellen fungieren. Das schließt auch die PCI-, PXI- und PCMCIA-Plattformen mit ein. Andere Formfaktoren wie etwa CompactRIO und USB profitieren von CANopen-Beispielprogrammen, für die die LabVIEW-Bibliothek für CANopen nicht benötigt wird.

Hinweis: Derzeit unterstützt die LabVIEW-Bibliothek für CANopen die NI-XNET-CAN-Schnittstellen nicht.

Abb. 8: Die LabVIEW-Bibliothek für CANopen besteht aus einer Vielzahl von Funktionen für Master-Anwendungen.

Back to Top

8. DNP3

DNP3 (Distributed Network Protocol) wurde von GE Harris entwickelt, um eine Protokollspezifikation zu schaffen, die Anbietern von SCADA-Komponenten (Supervisory Control and Data Acquisition) für Stromnetze als Standard dient. Seit 1993 wird dieses offene Protokoll von der DNP3 Users Group weiterentwickelt und gepflegt. DNP3 wird in Nordamerika in Strom- und Wasserwerken für die Kommunikation zwischen SCADA-Mastern und Außenstationen, so genannten Remote Terminal Units (RTUs), eingesetzt.

NI bietet den Softwaretreiber NI-Industrial Communications for DNP3 an, um damit Zielsysteme, die die Software NI LabVIEW ausführen, als DNP3-Außenstationen mit erweiterter Funktionalität zu programmieren, u. a. Überwachung der Stromqualität, Phasenmessungen und weitere netzbezogene Analysen. Diese Funktionen können für den Serieneinsatz auf Windows-Rechnern programmiert und anschließend auf NI-Echtzeit-Controllern wie z. B. CompactRIO, Single-Board RIO, PXI und PXI Express für Feldanwendungen eingesetzt werden. Der Softwaretreiber für DNP3 unterstützt Ethernet-Kommunikation, Dateitransfer und Zeitsynchronisation zwischen Master und Außenstation. Zudem können mehrere Kommunikationskanäle pro Außenstation und mehrere Sessions (logische Geräte) pro Kanal verwendet werden.

Abbildung 9: Der Treiber NI-IndCom for DNP3 bietet zahlreiche Funktionen für die Anwendungen als Außenstation.

Back to Top

9. FOUNDATION Fieldbus

Bei FOUNDATION Fieldbus handelt es sich um ein komplett digitales, serielles Zwei-Wege-Kommunikationsprotokoll, das in der Prozessautomatisierung eingesetzt wird. Es nutzt ein System aus verteilten Steuerungen mit intelligenten Geräten, in dem der Ablaufplan auf die Geräte und nicht auf das zentrale Steuerungssystem heruntergeladen werden kann. FOUNDATION Fieldbus ist in zwei Versionen erhältlich: H1 und HSE (High-Speed Ethernet). NI-Schnittstellen unterstützen die gängigere Version H1.

Bei den Serien NI USB-8486, PCI-FBUS und PCMCIA-FBUS handelt es sich um FOUNDATION-Fieldbus-Schnittstellen, die FOUNDATION-Fieldbus-Geräte mit Desktops, Industrie-PCs und Notebooks verbinden. Mit PCI-FBUS kann ein Desktop-Rechner in der Industrie als Host in einem FOUNDATION-Fieldbus-System fungieren. Anwendungen für USB-8486 und PCMCIA-FBUS umfassen mobile Datenprotokollierung sowie Konfiguration und Wartung von Geräten und Netzwerken.

Abb. 10: NI bietet USB-, PCI- und PCMCIA-Fieldbus-Schnittstellen mit vielfältigen Programmieroptionen an.

Der NI-FBUS Communications Manager (CM) ist im Lieferumfang der Fieldbus-Schnittstellen enthalten und beinhaltet Fieldbus-Funktionen, die in LabVIEW, NI Lookout, Microsoft Visual C/C++ und Visual Basic programmiert werden können. NI bietet zudem den NI-FBUS Configurator für die Fieldbus-Konfiguration und Funktionsblockprogrammierung sowie den NI-FBUS Monitor für die Analyse und Fehlerbehandlung von Datenpaketen.