Hinzufügen einer HMI zu einem Programmable Automation Controller (PAC)

Da sich die Industrielandschaft beständig in Richtung einer stärker automatisierten Umgebung entwickelt, treffen Anwender, die Überwachungs-, Steuer- und Regelanwendungen implementieren, auf zunehmend komplexe Systeme. Diese Prozesssteuerungssysteme bestehen häufig aus unabhängigen PACs, die spezielle Einzelaufgaben verwalten. Nimmt die Komplexität solcher verteilten Systeme zu, müssen die Steuer-, Regel- und Überwachungsaufgaben auf mehrere dieser PACs aufgeteilt werden, die über ein Netzwerk miteinander verbunden sind. Zur Sicherstellung des Betriebs dieses verteilten industriellen Prozesses ist die Leitung durch Systemverwalter und -bediener erforderlich. Zwar ist ein zentraler „Hub“ zur Steuerung für die Überwachung durch leitende Mitarbeiter ausreichend, doch ist das verteilte System ohne Mensch-Maschine-Schnittstellen (Human Machine Interfaces, HMIs) zur direkteren Interaktion unvollständig.

1. PAC und HMI
2. Das LabVIEW Touch Panel Module
3. Schrittweise Ergänzung eines PACs um eine Touchpanel-Oberfläche
4. Fazit

Ein Touchpanel-Computer für die Industrie

Das LabVIEW Touch Panel Module vervollständigt das Angebot von National Instruments für die Verwaltung dezentraler Systeme durch Erweiterung der grafischen Programmierumgebung NI LabVIEW auf robuste HMI-Computer für die Industrie. Diese Application Note zeigt die Vorteile des LabVIEW Touch Panel Module und erläutert Schritt für Schritt, wie Sie Ihr bestehendes PAC-System um eine HMI ergänzen.

PAC und HMI

Programmable Automation Controllers (PACs) sind Teil zahlreicher Anwendungen, die verschiedene Industriebereiche umspannen. Typische Beispiele für einen PAC sind die Produktlinien NI CompactRIO und NI Compact FieldPoint (siehe Links). Jedes System umfasst einen Embedded-Controller sowie Hardwaremodule für Input/Output. Die Einsatzmöglichkeiten variieren zwar stark, doch die Notwendigkeit einer effektiven Verwaltung für diese dezentralen Systeme ist allgemein gültig. Ein typisches verteiltes System könnte folgendermaßen aussehen:

Abbildung 1: Dezentrales Steuer- und Regelsystem

PAC-Systeme können sich in einer einzelnen Produktionsstätte befinden oder an dezentralen Standorten über weite Entfernungen verteilt werden. Die zentrale Datenbank bzw. das zentrale Steuersystem sorgen für die übergeordnete Überwachung, sind aber eventuell nicht immer sofort zugänglich. Da die meisten PACs Embedded-Controller sind, verfügen sie über keine eigene Benutzeroberfläche. Daraus ergibt sich der Bedarf für eine Mensch-Maschine-Schnittstelle (Human Machine Interface, HMI) an bestimmten Zugangspunkten, um das System zu vervollständigen.

CompactRIO und Compact FieldPoint sind Beispiele für solche „Headless“-Systeme. Sie erfordern den Einsatz zusätzlicher Hardware als Benutzeroberfläche. Touchpanel-Hardware von National Instruments, wie z. B. die Produktgruppen der Touchpanel-Computer mit 6 und 12 Zoll, bieten eine robuste und kompakte Lösung der industrietauglichen HMIs. Robuste physikalische Spezifikationen und eine Vielzahl an I/O-Anschlüssen erlauben eine einfache Integration in vorhandene Netzwerke. (Näherer Informationen zur Touchpanel-Hardware von National Instruments finden Sie am Ende dieses Kapitels.) Eine solche HMI versetzt den Bediener in die Lage, direkt auf bestimmte Steuer-, Regel- oder Überwachungssysteme zuzugreifen.

Allerdings ist die Ergänzung um eine Benutzeroberfläche nur ein Teil der Lösung für verteilte Systeme. Ebenso wichtig wie die PACs und HMIs ist dabei die Infrastruktur, über die sie kommunizieren. Netzwerktopologien mit Ethernet-, seriellen und drahtlosen Protokollen sorgen für ein intelligentes, verteiltes System für die Steuerung industrieller Prozesse. Da bestehende Ethernet-Netzwerke weit verbreitet und zuverlässig sind, wird zumeist ein Protokoll wie beispielsweise TCP/IP oder UDP eingesetzt, um PAC-Knoten zu vernetzen. Die Verfügbarkeit drahtloser Standards, wie etwa 802.11b (Wireless LAN, Wi-Fi), fördert zudem stark erweiterbare und flexible Netzwerklösungen.

Die bei LabVIEW verfügbaren TCP/IP-Bibliotheken und -Funktionen bieten eine bedienfreundliche API für die Vernetzung verteilter Systeme. Es gibt zahlreiche Beispiele für nachrichtenbasierte Protokolle, die auch bei der Verwaltung solcher Systeme erfolgreich sind. (Nähere Informationen erhalten Sie unter nachfolgenden Links.) Da jedoch die Anforderungen verteilter Anwendungen zunehmen, kann die einfach aufgebaute Client-Server-Architektur, die TCP/IP eigen ist, sehr mühsam werden. Das LabVIEW Touch Panel Module und die Umgebungsvariable vereinfachen die Entwicklung verteilter Steuer-, Regel- und Überwachungsanwendungen.

Weiterführende Links:
Produktseite NI TPC 2106/T
Produktseite NI TPC 2012
Programmable Automation Controllers (PACs)

Das LabVIEW Touch Panel Module

Das LabVIEW Touch Panel Module bietet eine integrierte grafische Umgebung für die Entwicklung von HMI- und PAC-Anwendungen. Der LabVIEW-Projekt-Explorer erleichtert die Verteilung dieser komplexen Systeme auf mehrere Zielgeräte und Betriebssysteme. Durch das Touch Panel Module umfasst das LabVIEW-Projekt ebenfalls Support für die Programmierung von HMIs in Form von Touchscreens. (Nähere Informationen erhalten Sie unter nachfolgenden Links.) Die Vorteile der Programmierung von Desktop- und Echtzeitanwendungen mit LabVIEW können nun auf Geräte mit den Betriebssystemen Windows CE und Windows Mobile ausgeweitet werden. Zu diesen Vorteilen gehören u. a.:

• Zügige HMI-Anwendungsentwicklung mithilfe der grafischen Entwicklungsumgebung NI LabVIEW
• Kommunikation mit externen Geräten über Bluetooth, 802.11 (Wi-Fi), IrDA und serielle Protokolle
• Integration ins NI LabVIEW Datalogging and Supervisory Control (DSC) Module

Daneben bietet die LabVIEW-Umgebungsvariable eine leistungsstarke, konfigurationsbasierte Umgebung, um die Entwicklung einer sonst komplizierten Kommunikationsinfrastruktur zu vereinfachen. Die enge Integration von Touchpanels, PACs und Umgebungsvariablen innerhalb der Oberfläche des LabVIEW-Projekt-Explorers umgeht die Entwicklung komplexer Netzwerkarchitekturen, wodurch das Augenmerk auf die Prozesssteuerung und -entwicklung verlagert wird. Ausgehend vom National Instrument Publish-Subscribe Protocol (NI-PSP) erleichtern Umgebungsvariablen die Netzwerkkommunikation. So werden Daten mithilfe von Variablenknoten auf dem Blockdiagramm gelesen und geschrieben (siehe Abbildung 2).

Abbildung 2: Kommunikation über Umgebungsvariablen

Genauere Informationen zu Umgebungsvariablen (Shared Variables) erhalten Sie unter nachfolgenden Links.

Weiterführende Links:
LabVIEW für die Anwendungsentwicklung für Geräte mit Windows-CE-Betriebssystem
Einsatz der LabVIEW-Umgebungsvariablen

Schrittweise Ergänzung eines PACs um eine Touchpanel-Oberfläche

Das LabVIEW-Projekt sowie die Umgebungsvariable erlauben die Entwicklung echtzeitfähiger PAC- und HMI-Touchpanel-Anwendungen in einer integrierten Programmierumgebung. Die Erweiterung eines PAC-Systems im Headless-Betrieb, wie z. B. CompactRIO oder Compact FieldPoint, um eine HMI wird durch das LabVIEW Touch Panel Module und die Umgebungsvariable erheblich vereinfacht. Die folgende Anleitung zeigt Schritt für Schritt, wie eine HMI in ein vorhandenes LabVIEW-Echtzeitprojekt integriert wird. Die Hardware hierzu umfasst einen NI-TPC 2106/T, ein Echtzeitzielgerät (wie etwa Compact FieldPoint) und ein Entwicklungssystem.

1. Schließen Sie zuerst den Rechner für die Anwendungsentwicklung, den Touchpanel-Computer und das Echtzeitzielgerät über Ethernet an dasselbe Subnetz an. Der Hardwareaufbau sollte dabei der folgenden Abbildung entsprechen.

Abbildung 3: Ausgangsbasis für den Hardwareaufbau

1. Laden Sie die Datei HMIPAC.zip herunter. Den dazugehörigen Link finden Sie nach Schritt 27 im Abschnitt „Links auf thematisch verwandte Seiten“. Es gibt zwei Ordner auf oberster Ebene innerhalb der Zip-Datei: „Tutorial“ und „Solution“. Der Ordner „Tutorial“ enthält die Dateien zur Ausführung dieser Schritt-für-Schritt-Anleitungen und der Ordner „Solutions“ umfasst die komplette Anwendung.
2. Öffnen Sie das vorhandene LabVIEW-Echtzeitprojekt HMI_PAC.lvproj im Ordner „Tutorial“. Es sollte folgendermaßen aussehen:

Abbildung 4: Fenster des LabVIEW-Echtzeitprojekts

3. Mit diesem einfachen Beispiel soll die Datenerfassung simuliert werden. Das VI „Generator.vi“ auf dem Echtzeitzielgerät gibt je nach Eingabe bei „Type“ fortlaufend eine Sinus-, Rechteck- oder Sägezahnkurve aus. Da das Generator.vi im Echtzeitzielgerät eingebettet ist, ist sein Frontpanel nicht sichtbar. Aus diesem Grund wird ein Touchpanel als HMI benötigt. Das VI „HMI.vi“ erhält seine Daten vom Generator.vi und zeigt diese in einem Graphen auf seinem Frontpanel an:

Abbildung 5: Frontpanel des HMI.vi

4. Das Touchpanel muss hinzugefügt werden, um die Hardware anzusprechen. Klicken Sie im Projekt-Explorer mit der rechten Maustaste auf „Project: HMI_PAC.lvproj“ und wählen Sie New » Targets and Devices… Wählen Sie die Schaltfläche für das vorhandene Ziel oder Gerät aus und blenden Sie den Touchpanel-Ordner zur Anzeige des Touchpanels ein. Klicken Sie auf „TOUCH PANEL WINDOWS CE Device“ und bestätigen Sie mit „OK“, um das Touchpanel  zum Projekt hinzuzufügen.
5. Danach müssen Sie das entsprechende VI hinzufügen (HMI.vi). Dazu klicken Sie mit der rechten Maustaste auf das Symbol des Touchpanel-Zielgeräts im Projekt-Explorer und wählen Sie „Add File…“. Suchen Sie dort die Datei HMI.vi und bestätigen Sie mit „OK“, um die Datei zum Projekt hinzuzufügen.
6. Das Blockdiagramm ist noch unvollständig, da es nicht mit dem PAC kommunizieren kann. Jetzt müssen Umgebungsvariablen ergänzt werden, damit eine Kommunikation mit dem Echtzeitzielgerät möglich wird. Dazu müssen Sie zuerst eine Bibliothek für die Umgebungsvariablen erstellen. Klicken Sie mit der rechten Maustaste im Projekt-Explorer auf das Echtzeitzielgerät und wählen Sie New » Library. Unter dem Echtzeitzielgerät erscheint ein Eintrag „Untitled Library“.
7. Speichern Sie die Bibliothek durch Klick mit der rechten Maustaste auf „Untitled Library“ und wählen Sie „Rename“. Benennen Sie diese Bibliothek „Variables“ und speichern Sie sie im Ordner „Tutorial“.
8. Fügen Sie der Bibliothek die Umgebungsvariablen durch rechten Mausklick auf die Bibliothek „Variables“ hinzu und wählen Sie New » Variable. Das Fenster „Shared Variables Properties“ öffnet sich.
9. Zuerst werden die Daten konfiguriert, die auf dem Touchpanel grafisch dargestellt werden. (Beziehen Sie sich dazu auf das unten abgebildete Fenster „Shared Variable Properties“.) Ändern Sie zur Konfigurierung den Namen auf „Data“ und den „Data Type“ auf „Array of Double“. Setzen Sie den „Variable Type“ auf „Network-Published“. Jetzt kann die Variable von jedem Platz des Netzwerks aus gelesen werden. Ein Schreiben in die Variable ist so ebenfalls möglich. Das Eigenschaftsfenster sollte nun folgendermaßen aussehen:

Abbildung 6: Fenster mit konfigurierten Eigenschaften der Umgebungsvariablen

10. Bestätigen Sie mit „OK“. Jetzt erscheinen die Daten (Data) der Umgebungsvariable in der Bibliothek „Variables“:
11. Nun müssen die zwei anderen Variablen zur Bibliothek hinzugefügt werden. Dazu führen Sie wieder einen Klick mit der rechten Maustaste auf die Bibliothek „Variables“ aus und wählen New » Variable. Wiederholen Sie die oben aufgeführten Schritte noch zweimal für zwei zusätzliche Umgebungsvariablen:

12. Der PAC und das Touchpanel kommunizieren über die Umgebungsvariablen. Der PAC schreibt Werte in die Variable „Data“. Das Touchpanel zeigt sie auf seinem Frontpanelgraph an. Das Touchpanel wiederum schreibt Werte in die Variablen „Stop“ und „Waveform Type“ und der PAC liest diese aus. Dadurch kann der Bediener einen Signalverlauf auf dem Touchpanel auswählen, um die vom PAC geschickten Daten zu ändern.
13. Um die Anwendung zu vervollständigen, muss das Generator.vi auf dem Echtzeitzielgerät um die Variablen ergänzt werden. Öffnen Sie das VI und ziehen Sie die Variable „Data“ vom Projekt-Explorer auf das Blockdiagramm (siehe unten). Ziehen Sie auch die Variable „Waveform Type“ und zweimal die Variable „Stop“ in dasselbe Blockdiagramm. Dies geschieht durch einen Klick auf das Variablensymbol im Projekt-Explorer. Halten Sie die Maustaste gedrückt und ziehen Sie dann den Umgebungsvariablenknoten in Ihr Blockdiagramm.

Abbildung 7: Hinzufügen der Umgebungsvariablen zum Blockdiagramm

14. Die HMI muss die Daten aus der Variablen „Waveform Type“ lesen. Führen Sie einen Klick mit der rechten Maustaste auf der Variablen aus und wählen Sie „Change to Read“. Verfahren Sie ebenso mit einer der „Stop“-Variablen, so dass das Blockdiagramm wie folgt aussieht:

Abbildung 8: Vervollständigtes Blockdiagramm des Generator.vi

15. Nach Hinzufügen der Variablen zum Generator.vi müssen sie nun auch zur HMI hinzugefügt werden. Öffnen Sie das HMI.vi und ziehen Sie die Variable „Data“ vom Projekt-Explorer auf das Blockdiagramm. Klicken Sie mit der rechten Maustaste auf den Umgebungsvariablenknoten im Blockdiagramm und wählen Sie „Change to Read“.
16. Ziehen Sie die Variablen „Waveform Type“ und „Stop“ auf das Blockdiagramm des HMI.vi und verdrahten Sie es wie folgt:

Abbildung 9: HMI.vi mit Umgebungsvariablen

17. Wählen Sie File » Save All im Projekt-Explorer zum Speichern des Projekts.
18. Damit Umgebungsvariablen auf dem Touchpanel genutzt werden können, müssen wir den Support für Umgebungsvariablen installieren. Dazu führen Sie die Datei setup.exe im Verzeichnis C:\Program Files\National Instruments\LabVIEW 8.2\PDA\Utilities\Variables aus. Dadurch wird der Support auf dem Touchpanel installiert, während es über ActiveSync mit dem Computer verbunden ist.
19. Die Touchpanel-Anwendung ist allerdings noch nicht abgeschlossen, da sie bisher nicht auf der Touchpanel-Hardware eingesetzt wurde.
20. Erstellen Sie die einsatzbereite Anwendung durch Klick mit der rechten Maustaste auf „Build Specifications“. Diesen Eintrag finden Sie unter dem Touchpanel-Zielgerät in der Oberfläche des Projekt-Explorers, dort wählen Sie New » Application (EXE).
21. Um das HMI.vi als Top-Level-VI zu deklarieren, wählen Sie dieses VI aus und klicken Sie dann auf die Pfeiltaste nach rechts. Ihr Dialogfeld sollte nun folgendermaßen aussehen:

Abbildung 10: Quelldateien der Build Specification

22. Bestätigen Sie mit „OK“. Die Build Specification „My Application“ erscheint im Projekt-Explorer (s. u.).

Abbildung 11: Projekt-Explorer mit Touchpanel der Build Specification

23. Derzeit befindet sich das VI immer noch auf dem Entwicklungsrechner. Laden Sie durch Klick mit der rechten Maustaste auf die Build Specification „My Application“ und Auswahl von „Run“ die Anwendung auf das Touchpanel.
24. Zudem muss der „Real-Time“-Teil der Anwendung heruntergeladen werden. Führen Sie unter dem Echtzeitzielgerät einen Klick mit der rechten Maustaste auf „Build Specification“ aus und wählen Sie „Build“. Klicken Sie mit der rechten Maustaste wieder auf „Build Specification“ und wählen Sie „Deploy“. Dadurch werden die ausführbaren Real-Time-Dateien und Umgebungsvariablen verteilt.
25. Das Touchpanel und der PAC kommunizieren jetzt über die Umgebungsvariablen „Data“, „Waveform Type“ und „Stop“. Das USB-Kabel kann jetzt entfernt werden. PAC und Touchpanel kommunizieren auch weiterhin.
26. Unsere HMI ist jetzt vollständig und das verteilte System ist nicht mehr vom Entwicklungsrechner abhängig. Unser Aufbau sollte nun folgender Abbildung entsprechen:

Abbildung 12: Touchpanel – Diagramm mit PAC-System

27. In den LabVIEW-Hilfedateien finden Sie detaillierte Anleitungen.

Fazit

Anwendungen in der Industrie werden immer komplexer, wodurch auch die Rolle einzelner PAC-Systeme für spezielle Aufgaben ständig an Bedeutung zunimmt. Die Überwachung solch eines verteilten Systems von einem ausgewählten Standort aus wird ebenfalls unpraktisch. Eine HMI (Human Machine Interface) löst dieses Problem und sorgt dafür, dass die verteilte Anwendung vollständig wird, indem sie dem Bediener direkten Zugriff auf die PACs ermöglicht, aus denen sie zusammengesetzt ist. Das LabVIEW Touch Panel Module und die Umgebungsvariable erweitern die grafische Programmierumgebung LabVIEW, so dass ihr Einsatz auf dieser HMI-Plattform möglich wird. Dadurch reduzieren sich Entwicklungszeit und Umfang der Anwendung. Die Handhabung der PAC-, HMI- und Netzwerkkommunikation wird somit innerhalb der Oberfläche des LabVIEW-Projekt-Explorers stark vereinfacht. 

Genauere Informationen zu diesen und mehr Themen erhalten Sie unter folgenden Links:

Links auf thematisch verwandte Seiten:

• Einsatz der LabVIEW-Umgebungsvariablen
• Programmable Automation Controllers (PACs)

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