Laborpraktika mit Online-Zugriff über das Internet

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1 Laborpraktika mit Online-Zugriff über das Internet P. KRÖGER, R. MÜLLER, G. VAUPEL, F. KORPEL, U. KREBBEL, DIPLOMANDEN 1 Hochschule für angewandte Wissenschaften Hamburg Fachbereich Elektrotechnik und Informatik Die Ausbildung an Fachhochschulen ruht auf zwei gleichberechtigten Säulen, nämlich der mehr theoretischen Wissensvermittlung in Vorlesungen und Übungen und der Vermittlung von Kenntnissen und unmittelbaren Erfahrungen mit Bauteilen, Anlagen und Geräten, die die Umsetzung der theoretischen Betrachtungen in die Anwendung einschließlich nicht berechenbarer sondern nur durch Erfahrung erlernbarer Randbedingungen liefern. Es bedeutet einen hohen personellen und finanziellen Aufwand, den Anspruch auf dauerhafte Existenz eines modernen Geräteparks in einem Labor zu erfüllen. Die Erfahrung zeigt, daß gerade in den letzten Jahren aus verschiedenen Gründen - auch durch eine schnelllebige Technik - dieser Anspruch insgesamt kaum zu erfüllen ist. Mit der rasanten Entwicklung des Internet ergeben sich nun neue Möglichkeiten, kostengünstig Informationen aus fernen Bereichen zu beziehen und dorthin zu senden. Es liegt deshalb nahe, diese Möglichkeiten auch zu nutzen, um Laborversuche von der Ferne aus zu steuern und zu beobachten, sie aber am eigenen Standort auszuwerten. Damit stellt sich natürlich die Frage, ob diese Vorgehensweise einer unmittelbaren Versuchsdurchführung an einem Laborplatz gleichzusetzen ist, und ob eine solche Vorgehensweise überhaupt sinnvoll ist. Wenn die Vermittlung von praktischen Erfahrungen gerade ein Wesensmerkmal von Fachhochschulen ist, so bedeutet es schon einen erheblichen Sinneswandel, fern steuerbare und beobachtbare Versuche in die Ausbildung von Studenten aufzunehmen. Die Verfasser dieses Artikels wollen nicht die üblichen Laborversuche ersetzen, aber sie glauben, daß diese neue Form eine Ergänzung darstellt, deren praktischer Einsatz am besten erprobt werden muß, bevor man sagen kann, in welchem Umfang und in welchem Fachgebiet er möglich und sinnvoll ist. Gleichzeitig soll auch untersucht werden, in welcher Form bestehende Praktikumsversuche geändert und ergänzt werden müssen, damit sie sozusagen internettauglich werden. Dabei deutet es sich schon an, daß ein möglicher Einsatz bei aufwendigen und teuren Versuchen liegt, die jeweils nur einmal in einer Hochschule aufgebaut werden, ihre Nutzung aber von allen beteiligten Hochschulen über das Internet erfolgt. 1 Die Projektbearbeitung erfolgte mit Hilfe mehrerer Diplomarbeiten (siehe Literatur am Ende des Berichts)

2 1 Anlagenbeschreibung Als Pilotversuch wurde ein Versuch aus dem Labor für elektrische Antriebe und Leistungselektronik gewählt. Er heißt "Optimierung der digitalen Regelung eines Umkehrstromrichters an einer Gleichstrommaschine" und wird schon seit langem als Standardversuch für Studenten des 7. Semesters in der Studienrichtung Automatisierungstechnik gefahren. Bild 1 zeigt den Aufbau der Anlage: Bild 1: Darstellung der Anlage Der Maschinensatz setzt sich zusammen aus einem Gleichstrommotor als Antriebsmaschine und einem Gleichstromgenerator als Lastmaschine. Die Lastmaschine ist starr an die Welle der Antriebsmaschine angekoppelt. An der Welle befinden sich Meßwertaufnehmer für das Drehmoment und die Drehzahl. Als Leistungsteil der Antriebsmaschine wurde ein SITOR-Thyristorsatz verwendet. Dieser beinhaltet die antiparallel und kreisstromfrei geschalteten B6-Brücken, sowie die Elektronik zur Umsetzung der Ventilsteuersignale und zur Erzeugung aller Meßwerte. Die Regelung der Antriebsmaschine erfolgt über einen Simadyn D Regler. Sie wurde mit dem grafischen Editor CFC programmiert. Alle genannten Komponenten sind Produkte der Firma Siemens. Die Lastmaschine wird über einen Stromrichter der Firma Lenze angesteuert. Hierbei handelt es sich um einen analogen geregelten 4-Quadrantstromrichter. Er wird an dieser Anlage als Wechselrichter verwendet, über den der Gleichstromgenerator Energie ins Netz zurückspeist und damit den Antriebsmotor belastet. Das erwünschte Widerstandsmoment wird über die Stromgrenze eingestellt. Zur Steuerung und Visualisierung wird die Software WinCC V5.0 der Firma Siemens verwendet. Sie stellt das Basisprogramm dar. Mit ihr werden die einzelnen Versuchsteile durchgeführt, und sie stellt auch die Daten zur Verfügung, die für die Internet-Kommunikation be- nötigt werden.

3 Die Kommunikation zwischen dem digitalen Simadyn D Regler und dem WinCC Server erfolgt über den Profibus. Da zum Zeitpunkt der Projektbearbeitung ein direkter Datenaustausch zwischen dem Regler und WinCC V5.0 noch nicht möglich war, wurde eine Speicherprogrammierbare Steuerung des Typs SIMATIC S7 dazwischen geschaltet. Sie erlaubt auch die Realisierung von Sicherheitsfunktionen, die unabhängig vom Anlagenzustand aufrechterhalten werden können. Bevor auf die Kommunikation zum Internet eingegangen wird, sollen zuerst die einzelnen Versuchsteile beschrieben werden. 2 Übersichtsplan der Regelung Das Bild 2 zeigt den Aufbau der gesamten Regelung für eine fremderregte Gleichstrommachine im Grunddrehzahlbereich. Der Wirkungsplan mit normierten Größen stellt eine Drehzahlregelung mit unterlagerter Stromregelung dar. Diese Anordnung wird auch Kaskadenregelung genannt. Der Stromregelkreis wird im nichtlückenden Betrieb nach dem Betragsoptimum, der Dreh- zahlregelkreis nach dem Symmetrischen Optimum eingestellt. Bild 2: Wirkungsplan in normierter Darstellung Die Einstellung der Regler zum optimalen Verhalten der jeweiligen Ausgangsgrößen Ankerstrom i A und Drehzahl n setzt die Kenntnis der jeweiligen Regelstrecken voraus. Beginnend im inneren Stromregelkreis werden deshalb stationäre Kennlinien aufgenommen und Sprungantworten erzeugt, die die Auswirkung der nach den Optimierungsbedingungen berechneten und vorgenommenen Reglereinstellungen auf die jeweiligen Ausgangsgrößen i A und n zeigen. Damit setzt sich der gesamte Versuch aus den folgenden Teilversuchen zusammen: Bestimmung der Lückgrenze des Ankerstromes Bestimmung der Streckenverstärkung des offenen Stromregelkreises

4 Überprüfung des geschlossenen Stromregelkreises durch Aufnahme der Sprungantwort i A (t). Hochlaufversuch Überprüfung des Drehzahlregelkreises durch Aufnahme der Sprungantwort ohne Sollwertglättung Überprüfung des Drehzahlregelkreises durch Aufnahme der Sprungantwort n(t) mit Sollwertglättung Erzeugung eines Lastsprunges 3 Versuchssteuerung über das Internet Die Durchführung der Versuche über das Internet wurde auf zwei Arten realisiert: Internetzugriff mit dem WinCC Webnavigator der Fa. Siemens Direkter Internetzugriff auf WinCC-Datenmanager 3.1 Internetzugriff mit dem WinCC Webnavigator Das Produkt WinCC Web Navigator als Optionspaket zum WinCC Basissystem ab V5.0 ermöglicht es, eine Lösung für die Thematik "Bedienen und Beobachten" über das Intra- /Internet zu erstellen. Damit hat man die Möglichkeit, mit den Standardmitteln von WinCC sehr einfach und schnell eine neue Art der Verteilung der Bedien- und Beobachtungsfunktion der Automatisierungsanlage über das Internet bzw. Intranet zu realisieren. Mit dem WinCC-Webnavigator wird die in WinnCC projektierte und visualisierte Prozeßoberfläche in einem Browser abgebildet, womit das ferne Bedienen über das Internet möglich ist. Gängige Internet-Sicherheitsmethoden werden dabei vom WinCC Web Navigator unterstützt. Das Paket WinCC Web Navigator besteht aus speziellen Serverkomponenten, die auf dem Serverrechner und aus Clientkomponenten, die auf dem Clientrechner im Intra-/Internet installiert werden. Bild 3: aus Siemens Produktinformation

5 Der WinCC Web Client ist ein sogenannter Thin Client, der auf einem Client-Rechner im Internetbrowser integriert ist und das Bedienen und Beobachten eines laufenden WinCC Projekts ermöglicht, ohne daß er das gesamte WinCC Basissystem auf dem Rechner benötigt. Es erweitert dadurch die Vernetzung von Client/Server Systemen im Intra-/Internet. Das Projekt und die damit verbundene WinCC-Applikation befinden sich auf einem Serverrechner. Damit besteht eine klare Trennung zwischen der Visualisierungskomponente auf dem Clientrechner und dem laufenden WinCC Projekt auf dem Serverrechner. Die Software der WinCC Web Navigator Client Komponente ist unter Windows 98 und Windows NT ab Version 4.0 lauffähig. Die Visualisierung erfolgt mit jedem Internetbrowser, der die ActiveX-Technologie von Microsoft unterstützt. Als Beispiel für eine erstellte Oberfläche zeigt Bild 4 die Startseite für den Hochlaufversuch: Bild 4: aus [2] 3.2 Direkter Internetzugriff auf WinCC-Datenmanager Der WinCC-Webnavigator bildet die Versuchsoberfläche in einem Browser ab. Die Versuchsoberfläche ist dabei festgelegt auf die Visualisierungsmöglichkeiten typischer Applikationen der Automatisierungstechnik im Rahmen des Produktes WinCC. Im Hinblick auf den weiteren Ausbau und die Verwendung von Internet-Bedienungen auch anderer, nicht nur im Bereich der Automatisierungstechnik angebotener Laborversuche, wurde neben dieser Art des Internetzugriffs auch ein weiterer Zugriff auf die Versuchsanordnung realisiert. Im Rahmen von zwei Diplomarbeiten [3], [4] wurde ein Konzept entwickelt und realisiert, das eine flexiblere Oberflächengestaltung im Web-Browser im Hinblick auf verschiedene Versuche und deren Bedienungen gestattet. Als Pilotversuch wurde auch hier der oben genannte Versuch " digitalen Regelung eines Umkehrstromrichters" eingesetzt.

6 Die Quelldaten (Steuer- und Anzeigedaten) der Hardware des Versuches stehen innerhalb des WinCC-Servers in einer Datenbank zur Verfügung (Bild 5). Die Lösung basiert auf der Entwicklung eines geeigneten Schnittstellenmoduls, über die ein Web-Browser direkt mit dem WinCC-Datenmanager kommunizieren kann. Bild 5: Internetzugriff auf WinCC-Daten nach [4] Die Schnittstelle wird durch den Industriestandard OPC (OLE for Process Control) realisert. Damit erreicht man einen bidirektionalen Datenaustausch zwischen dem Webserver und den versuchsspezifischen Daten des WinCC-Datenmanagers. Für die als AktivX ausgebildete Schnittstelle wurde in der Diplomarbeit [3] ein entsprechendes Programm in Visual Basic programmiert und so konfiguriert, daß die Quelldaten der Versuchs-Hardware im HTML- Format zur Verfügung gestellt werden. Dadurch stehen die Daten schließlich auch im Web- Client flexibel zur Verfügung. 3.3 Regelungstechnische Bedienoberfläche im Browser In der Regelungstechnik aber auch in vielen anderen technischen Bereichen werden heute Simulationsprogramme eingesetzt, um theoretischen Berechnungen und Dimensionierungen vorab einer Implementierung simulativ zu verifizieren. Auch für Laborversuche werden zu- nehmend Simulationsprogramme eingesetzt, mit deren Hilfe sich komplizierte Vorgänge schnell, kostengünstig und didaktisch effektiv veranschaulichen lassen. Am Fachbereich hat sich hier das Programm Matlab/Simulink als Standard für viele Laborversuche herausgestellt und in der Praxis erfolgreich etabliert. Auch für den hier vorliegenden Laborversuch wurde im Rahmen der Diplomarbeit [4] ein Simulink-Modell des Regelkreises entwickelt und für einen simulativen Teil des Laborversuchs zur Verfügung gestellt. Es lag daher nahe, auch für einen entfernten Benutzer des Laborversuches im Browser Bedienoberflächen für die einzelnen Versuchsteile bereitzustellen, wie sie ein lokaler, vor Ort befindlicher Versuchsteilnehmer vorfindet und damit gleichzeitig den Versuch Online real zu bedienen. Bild 6 zeigt ein realisiertes Beispiel eines Teils des Versuches (Hochlaufversuch) in der Browserdarstellung.

7 Bild 6: Bedienoberfläche als Simulink-Modell in Browserdarstellung nach [4] Der ferne Versuchsteilnehmer findet innerhalb seines Browsers ein regelungstechnisches Si- mulink-modell der Versuchsanordnung vor. Er kann sämtliche Eingaben bzw. Vorgaben für seinen Versuch mittels Formulareingaben vornehmen. Danach läßt sich der Versuch live starten. Die eingegebenen Daten werden an den Webserver gesendet, gelangen von dort über die OPC-Schnittstelle an den WinCC-Datenmanager, wo sie in der Versuchs-Hardware wirksam werden. Während des Versuchsablaufs werden alle relevanten Meßwerte aus dem Datenmanager ausgelesen und an den zugehörigen Schnittstellen des regelungstechnischen Modells live angezeigt. 4 Website für den Versuch Neben der Online-Versuchsbedienung sollen dem fernen Besucher auch alle sonstigen Hinweise, Materialien und Werkzeuge zur Durchführung des Laborversuchs im Web zur Verfügung gestellt werden, damit der ferne Laborteilnehmer diesen Versuch weitgehend ohne weitere Hilfestellung selbstständig durchführen kann. Deshalb wurde im Rahmen des Projektes auch eine komplette Website für diesen Versuch entwickelt [4], die den Laborteilnehmer die entsprechenden Hilfestellungen Online bietet. Auf der Website findet sich die Versuchsbeschreibung, die konkreten Aufgabenstellungen, die Versuchsdurchführung sowie eine Zusammenstellung aller theoretischen Grundlagen für den Versuch. Als Besonderheit bietet die Website, daß man die theoretischen Vorabdimensionierungen zum Versuch Online mit einem dazu eigens konstruierten "JavaScript-Rechner" durchführen kann.

8 Einen Eindruck von der Website vermittelt die Einstiegsseite (Bild 7): Bild 7: Einstiegsseite der Website 5 Zusammenfassung Es wurde gezeigt, daß es prinzipiell möglich ist, einen Praktikumsversuch über das Internet zu steuern und zu beobachten. Die Umsetzung in einen Versuchsaufbau, der im Bedarfsfall den Anschluß von zusätzlichen Meßgeräten ermöglicht, der allen Sicherheitsansprüchen für einen Tag und Nachbetrieb genügt, der den Versuchsteilnehmern kontextsensitive Hilfestellung gibt, ohne daß eine betreuende Person immer sofort im Bedarfsfall gefragt werden muß, erfordern noch eine ganze Reihe von ergänzenden Maßnahmen. Notwendig ist ferner eine neue Verwaltungsstruktur, die externe Nutzer verwaltet und ihnen termingerechte Zugriffsrechte ermöglicht und die auch finanzielle Abrechnungen erlaubt. An der Realisierung der angesprochenen Themen wird in den nächsten Diplomarbeiten gearbeitet.

9 6 Literatur [1] Holger Sparsam / Dirk Wegner Diplomarbeit: Projektierung eines Gleichstromantriebs mit den Komponenten CFC, Profibus und Simadyn D [2] Thomas Breuer / Sven Ropers: Diplomarbeit: Projektierung und Aufbau einer Antriebsregelung und -steuerung mit Bedienung über das Internet [3] Rachid Fahti Diplomarbeit: Web-Schnitstelle zu einer WinCC- Automatisierungs Software [4] Gernot Meichsner Diplomarbeit: Internetpräsenz für einen Laborversuch der Automatisierungstechnik mit Online-Steuerung