GSI. Lastenheft V0.0. Schrittmotorsteuerung für Cave A. Verteiler: Beck, Dietrich Bräuning-Demian, Angela Kozhuharov, Christophor Poppensieker, Klaus

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1 GSI Lastenheft Schrittmotorsteuerung für Cave A Projektseite: Verteiler: Name (alphab.) Beck, Dietrich Bräuning-Demian, Angela Kozhuharov, Christophor Poppensieker, Klaus Abteilung DVEE Atomphysik Atomphysik DVEE Copyright GSI 2002 Ersteller: Abt.: DVEE Name: Dietrich Beck Tel.: 2520 File: Unterschrift: Q:\beck_e\project\steppercavea2\documents\lastenh2.doc Datum: 12. Februar 2002 Prüfer: Abt.: Name: Tel.: Status: Nur für den internen Gebrauch Atomphysik Angela Bräuning- Demian 2796 neues Dokument Unterschrift:

2 Dokumentenverwaltung Dokumentenverwaltung Dokument-Historie Version Status Datum Verantwortlicher Änderungsgrund 0.0 neu Dietrich Beck Änderungsberechtigte Dietrich Beck Klaus Poppensieker DVEE DVEE Dokument wurde mit folgenden Tools erstellt: WORD 2000 Seite 2 / 13

3 Inhaltsverzeichnis Inhaltsverzeichnis 1 Einleitung Zweck des Dokuments Gültigkeit des Dokuments Begriffsbestimmungen und Abkürzungen Zusammenhang mit anderen Dokumenten Allgemeine Beschreibung des gewünschten Systems Zweck des gewünschten Systems Abgrenzung und Einbettung des gewünschten Systems Überblick über die geforderte Funktionalität Allgemeine Einschränkungen Mechanischer Konflikt zwischen mehreren Achsen Vorgaben zu Hardware und Software Benutzer des gewünschten Systems Detaillierte Beschreibung der Anforderungen Abläufe (Szenarien) von Interaktionen mit der Umgebung und Ziele des Benutzers Funktionale Anforderungen Öffentliche Funktionen System Starten System Beenden Sollposition Eingeben Sollposition Anfahren Referenzfahrt Durchführen Referenzzustand Einnehmen Bewegung Stoppen Not Aus Ist-Position Achsenstatus HW Status Private Funktionen Achsparameter Initialisieren Referenzposition Anfahren Antireferenzposition Anfahren Externe Schnittstellen des gewünschten Systems Benutzerschnittstellen (User Interfaces) Istposition und Status Achsmenu Not Aus Sonstige Anforderungen Vorgaben an die Entwicklung Vorgaben des Auftraggebers an die Projektabwicklung Seite 3 / 13

4 Inhaltsverzeichnis 4.1 Anforderungen an die Realisierung Abnahme- und Lieferbedingungen Seite 4 / 13

5 1 Einleitung 1.1 Zweck des Dokuments Der Zweck des vorliegenden Lastenhefts ist eine für die Entwicklung verbindliche und möglichst eindeutige Spezifikation des neuen Schrittmotorprojekts für Cave A. Es soll zugleich den Anforderungen eines Pflichtenhefts genügen, damit auf dessen getrennte Erstellung verzichtet werden kann. 1.2 Gültigkeit des Dokuments Die neue Schrittmotorsteuerung für Cave A wird erstellt unter Verwendung von Hardware- Komponenten der Firma IEF-Werner. 1.3 Begriffsbestimmungen und Abkürzungen Begriffe Achsposition: Dieser Wert ist gleich dem aktuellen Wert des Schrittzählers der Achse in der Steuerung. Ist die Achse in der Referenzposition, so ist die Achsposition gleich Null. Relativposition: Dieser Wert ergibt sich aus der Achsposition zuzüglich eines festen Offsets. Dieser Offset kann für jede Achse verschieden sein. Die Relativposition ist gleich Null, wenn die Achse sich genau auf der Sollbahn des Ionenstrahls befindet. Endschalter: Die Extrempositionen einer Achse werden durch den vorderen und hinteren Endschalter markiert. Der hintere Endschalter ist derjenige, bei dem die Achse maximal aus dem Strahl herausgefahren ist. Referenzposition: Position am hinteren Endschalter. Antireferenzposition: Position entgegengesetzt zur Referenzposition Referenzfahrt: Dient zur Bestimmung der Anzahl der Schritte zwischen den beiden Endschaltern. Parkzustand: Eine Achsen befindet sich in der Referenzposition. Referenzzustand: Eine Achse befindet sich in der Referenzposition und der Schrittzähler 0 (NULL) gesetzt. Basisgeschwindigkeit: Von 0 verschiede Mindestgeschwindigkeit von der aus die Achse beim Starten einer Bewegung bis zur Sollgeschwindigkeit beschleunigt wird. Öffentliche Funktion: Eine öffentliche Funktion ist dem Benutzer direkt zugänglich Private Funktion: Eine private Funktion ist dem Benutzer nicht direkt zugänglich. Solche Funktionen werden in der Regel von öffentlichen Funktionen aufgerufen. : Eine bewirkt eine Aktion an einer vom Benutzer gewählten Achse und hat keinen Einfluss auf den Zustand anderer Achsen. Systemfunktion: Eine Systemfunktion bewirkt eine Aktion des gesamten Systems, die Auswirkung auf alle Achsen haben kann. Abkürzungen NI: National Instruments LV: Labview MAX: Measurement and Automation Explorer von NI. Dieser erkennt die im Rechner befindliche Hardware und erlaubt Hardwaretests und das Vornehmen von Standardeinstellungen. DSC: Datalogging & Supervisory Control. Dies ist ein Modul für LabVIEW von NI. Es ermöglicht den Zugriff auf OPC-Server sowie das Protokollieren und die Handhabung von Alarmzuständen von Prozessvariablen. DCOM: Das Distributed Component Object Model (DCOM) ist ein Protokoll, dass es Softwarekomponenten ermöglicht miteinander über das Netzwerk zu kommunizieren. DCOM ist ein Microsoft-Standard. Seite 5 / 13

6 1.4 Zusammenhang mit anderen Dokumenten Dieses Lastenheft soll zugleich als Pflichtenheft übernommen werden. Im übrigen steht es im Zusammenhang mit den Dokumente auf der Projektseite Seite 6 / 13

7 2 Allgemeine Beschreibung des gewünschten Systems 2.1 Zweck des gewünschten Systems Das System ist eine Schrittmotorsteuerung für bis zu 16 Achsen Diese erlaubt es dem Experimentator von einem PC in der Messhütte oder vom HKR aus Positionen von Schlitzen, Detektoren etc. in Cave A während einer Strahlzeit einzustellen und zu kontrollieren. Weiterhin kommt der allgemeine Teil des SHIPTRAP Kontrollsystems in begrenztem Umfang zum Einsatz. Das System stellt daher einen ersten Tests dieses allgemeinen Teils dar. 2.2 Abgrenzung und Einbettung des gewünschten Systems Das System ist ein Standalone-System. Es ist nicht in andere Kontrollsysteme eingebettet. Der mögliche Zugang soll aber vom HKR möglich sein jedoch ohne Wechselwirkung mit anderen Systemen. Es ist ein unabhängiges System und auch kein Subsystem. 2.3 Überblick über die geforderte Funktionalität Der Experimentator kann jede Achse unabhängig von anderen Achsen fahren. Es kann eine beliebige (aber gültige) Sollposition gewählt werden. Bei Bedarf kann der Benutzer für einzelne Achsen eine Referenzfahrt zur Kalibration durchführen. Da das System von unterschiedlichen Experimentiergruppen benutzt wird, sollen die Dialoge allgemein gehalten werden, da die einzelnen Achsen von Experiment zu Experiment auch unterschiedliche Aufgaben übernehmen können. Alle Achsen können gleichzeitig bewegt werden. Zumindest die wesentlichen Funktionen und Stati der einzelnen Achsen sind immer zugänglich und sichtbar. Bei Neustart des Systems werden alles Achsen in den Referenzzustand versetzt. Beim Beenden des Kontrollprogramms werden alle Achsen in den Parkzustand versetzt. 2.4 Allgemeine Einschränkungen Das GUI soll einfach gehalten werden und dem Benutzer nur die absolut notwendigen Optionen anbieten. Das Starten oder Beenden der Steuerung führt zu einer Änderung (=Verlust) der aktuellen Achsenpositionen. Abgesehen von den Endschaltern gibt es keinen Sicherheitsmechanismus der die Achsenbewegung im Falle des Falles stoppt. Die Achsen bewegen sich völlig unabhängig voneinander. In einem solchen Fall kann nur eine Achse bewegt werden. Die andere(n) Achse(n) müssen sich in der Parkposition befinden. Es können nicht mehrere Benutzer gleichzeitig das System benutzen. Findet eine Achsenbewegung statt, kann der Benutzer für diese Achse keine neue Funktion außer Bewegung Stoppen aufrufen. 2.5 Mechanischer Konflikt zwischen mehreren Achsen Dies könnte z.b. bei benachbarten Durchführungen auftreten. Ein solcher Unfall könnte durch das Kontrollsystem verhindert werden. Zunächst wird dies nicht implementiert, da die Anforderungen unklar sind. 2.6 Vorgaben zu Hardware und Software Das System wir auf einem normalen PC unter WinNT, Englisch, entwickelt und eingesetzt. Die Hardware für die Schrittmotorsteuerung (Hersteller: IEF-Werner) ist bereits vorhanden. Diese wird über eine Profibusschnittstelle angesprochen. Als Profibusmaster dient eine PC Karte der Firma Beckhoff. Der PC mit der Profibusmasterkarte wird in der Messhütte über Cave A aufgestellt. Die Kommunikation mit der Masterkarte erfolgt über die TWINCAT/OPC Server Software der Firma Beckhoff. Die Applikation wird objektorientiert mit Labview 6.0 (oder höhere Version) unter Zuhilfenahme des G++ Toolkits der Firma Vogel Automatisierungstechnik erstellt. Als Schnittstelle zum TWINCAT/OPC Server dient das LabVIEW DSC Modul. Die Entwicklungsumgebung soll während des Einsatzes nicht zur Verfügung stehen sondern lediglich eine ausführbare Datei. Seite 7 / 13

8 2.7 Benutzer des gewünschten Systems Die Benutzer sind Physiker der Abteilung Atomphysik. Es gibt nur eine Klasse von Benutzern und keine Unterteilung in normale Nutzer und Administratoren. Seite 8 / 13

9 3 Detaillierte Beschreibung der Anforderungen 3.1 Abläufe (Szenarien) von Interaktionen mit der Umgebung und Ziele des Benutzers Starten des Systems. Mit dem Starten des Systems bringt der Experimentator alle Achsen in den Referenzzustand. Das System ist dann benutzbar. Beenden des Systems. Mit dem Beenden des Systems wird das System in den Parkzustand gebracht. Fahren einer Achse in eine beliebige Sollposition innerhalb der physikalischen Grenzen, die durch die Endschalter gegeben sind. Der Experimentator bringt damit z.b. Schlitze in eine definierte Position. Stoppen einer einzelnen Achsbewegung. Das ist z.b. hilfreich, wenn die Achse auf dem Weg zu einer versehentlich falsch gewählten Sollposition ist. Ausführen einer Referenzfahrt für eine beliebige Achse Eine beliebige Achse in die Referenzposition bringen Not Aus Knopf für die gesamte Steuerung. Dies ist lediglich ein Softwareknopf. Auf Wunsch kann auch ein Hardware Not-Aus realisiert werden. 3.2 Funktionale Anforderungen Öffentliche Funktionen System Starten Systemfunktion Beim Start des Systems werden zunächst folgende Funktionen aufgerufen. Es wird keine Referenzfahrt für alle Achsen durchgeführt. Steuerung Initialisieren Motorparameter Initialisieren für alle Achsen Referenzzustand Einnehmen für alle Achsen System Beenden Systemfunktion Beim Beenden des Systems werden folgende Funktionen aufgerufen Bewegung Stoppen für alle Achsen Referenzposition anfahren für alle Achsen Sollposition Eingeben Der Benutzer kann eine neue Sollposition eingeben. Es wird keine Achsenbewegung gestartet Sollposition Anfahren Die Achse beginnt mit der Bewegung von der Istposition zur Sollposition Referenzfahrt Durchführen Es werden folgende Aktionen an der entsprechenden Achse durchgeführt. Referenzposition anfahren Schrittzähler der Achse auslesen und Wert merken Antireferenzposition anfahren Seite 9 / 13

10 Differenz zwischen dem aktuellen Wert und dem gemerkten Wert des Schrittzählers bestimmen. Das Ergebnis ist die Anzahl der Schritte zwischen beiden Endschaltern Referenzzustand Einnehmen Es werden folgende Aktionen durchgeführt Referenzposition Anfahren Schrittzähler Achse auf 0 setzen Bewegung Stoppen Diese Funktion stoppt sofort die Bewegung einer Achse Not Aus Systemfunktion Not Aus ist eine reine Software Funktion. Beim Drücken des Not Aus Knopfes werden die Bewegungen aller Achsen sofort gestoppt und das System wird beendet, ohne dass der Parkzustand der Achsen eingenommen wird Ist-Position Diese Funktion zeigt ständig den aktuellen Wert des Schrittzählers der Achse an Achsenstatus Diese Funktion gibt eine Information über den aktuellen Status der Steuerung für eine Achse. Es sind folgende Stati vorgesehen Waiting for command. Der Benutzer kann eine neue Funktion auslösen Moving to reference switch. Die Funktion Referenzzustand Einnehmen wird ausgeführt. Der Benutzer kann keine neue Aktion starten, ausgenommen Not Aus. Reference move. Die Funktion Referenzfahrt Durchführen wird ausgeführt. Der Benutzer kann keine neue Aktion starten, ausgenommen Not Aus. Moving. Die Funktion Sollposition Anfahren wird ausgeführt. Der Benutzer kann keine neue Aktion für die Achse starten, ausgenommen Not Aus HW Status Diese Funktion zeigt diverse aktuelle Statusbits der Steuerung an Private Funktionen Achsparameter Initialisieren Mit dieser Funktion werden Parameter für eine Achse in der Steuerung bzw. der dazugehörenden Applikation gesetzt. Diese Parameter können nicht über die Programmoberfläche eingegeben werden sondern befinden sich in einem Inifile oder einer Datenbank. 1. Name der Achse 2. Nummer der Achse 3. Name der Steuerung 4. Basisgeschwindigkeit einer Achse 5. Beschleunigungswert einer Achse Seite 10 / 13

11 6. Maximalgeschwindigkeit einer Achse 7. Getriebefaktor (Umrechnung von Schritten zu mm) 8. Zahl der Schritte zwischen vorderem und hinterem Endschalter 9. Offsetwert zur Umrechnung von Achsposition zu Relativposition 10. Auswahl von voreingestellten Positionen mit Namen Referenzposition Anfahren Die Achse fährt zunächst in Richtung des Referenzschalters bis dieser auslöst. Die Bewegung der Achse wird gestoppt. Danach wird die Achse Schritt für Schritt in die entgegengesetzte Richtung bewegt bis der Referenzschalter nicht mehr ausgelöst ist. Dann ist die Referenzposition erreicht Antireferenzposition Anfahren Die Achse fährt zunächst in Richtung des Antireferenzschalters bis dieser auslöst. Die Bewegung der Achse wird gestoppt. Danach wird die Achse Schritt für Schritt in die entgegengesetzte Richtung bewegt bis der Antireferenzschalter nicht mehr ausgelöst ist. Dann ist die Antireferenzposition erreicht. 3.3 Externe Schnittstellen des gewünschten Systems Benutzerschnittstellen (User Interfaces) Es wird ein GUI geben, dass mit LV erstellt wird. Die Aktionen werden alle durch Mausklick auf Schalter gestartet. Lediglich die Eingabe der Sollposition erfolgt numerisch über die Tastatur. Es wird nur ein (1) Fenster geben. Der System-PC auf dem das System läuft wird in der Messhütte über Cave A aufgestellt. Auf diesem PC läuft der OPC Server. Der Benutzer kann von diesem oder einem anderen PC an der GSI über den OPC-Server die Schrittmotorsteuerung bedienen Istposition und Status Position und eine Statusinformation können jederzeit für alle Achsen abgelesen werden Achsmenu Es gibt nur ein Achsmenu in dem die Bedienelemente einer Achse zugänglich sind. Es kann nur eine Achse gleichzeitig bedient werden. Die zu bedienende Achse kann ausgewählt werden. Es gibt folgende Bedien- und Anzeigeelemente. 1. Referenzschalter anfahren 2. Referenzfahrt durchführen 3. Neue Sollposition eingeben und Fahrt starten 4. Fahrt stoppen 5. Menu mit festeingestellten Position a. eine festeingestellte Position kann durch Knopfdruck angefahren werden b. die aktuelle Position kann als neuer Werte einer festeingestellten Position übernommen werden c. der Name einer festeingestellten Position kann geändert werden d. eine festeingestellte Position kann gelöscht werden 6. Ist-Position sowie Relativposition anzeigen 7. Anzeige aller zur Verfügung stehenden Statusbits Seite 11 / 13

12 Not Aus Der Not-Aus Knopf ist jederzeit zugänglich und bedienbar. 3.4 Sonstige Anforderungen Geschwindigkeitsanforderungen Das System ist eine Schrittmotorsteuerung, die on-line vom Experimentator bedient wird. Es ist kein Echtzeitsystem Ressourcenanforderungen Der System PC erfüllt die Mindestsystemanforderungen von LV. Sicherheitsanforderungen Der Zugang auf den System PC erfolgt über den OPC Server. Die Sicherheitsanforderungen werden über die DCOM Einstellungen realisiert. Portabilitätsanforderungen Im Rahmen von LV Stabilitätsanforderungen Strahlzeitgemäß Wartungsanforderungen Im Rahmen des üblichen bei LV Projekten. Wartung und Betrieb werden von der Abteilung Atomphysik übernommen. Wiederverwendbarkeitsanforderungen ja, andere Schrittmotorsteuerungen die Hardware von IEF-Werner basieren, sollen von der Steuerung in Cave A profitieren können. Benutzbarkeitsanforderungen physikergemäß 3.5 Vorgaben an die Entwicklung Das Kontrollsystem wird objektorientiert unter Verwendung des G++ Toolkits von Vogel Automatisierungstechnik erstellt. Es ist daran gedacht, den allgemeinen Teil des SHIPTRAP Kontrollsystems einzusetzen. Seite 12 / 13

13 4 Vorgaben des Auftraggebers an die Projektabwicklung 4.1 Anforderungen an die Realisierung Als Entwicklungsumgebung wird Labview v6.0 verwendet. Der System-PC läuft unter Windows NT. Als Motorsteuerung wird Hardware der Firma IEF-Werner verwendet. Die Kommunikation zwischen LabVIEW und der Motorsteuerung erfolgt über die DSC-Engine->(DCOM->)OPC-Server->Profibus- Masterkarte->Profibus. Es ist noch keine Entscheidung über den Typ der zu verwendeten Schrittmotoren gefällt worden. 4.2 Abnahme- und Lieferbedingungen Die Anforderungen an dieses System werden in diesem Dokument beschrieben. Die DVEE übernimmt Entwicklung des Systems. Die Inbetriebnahme erfolgt zusammen mit der Abteilung Atomphysik. Wartung und Betrieb des Systems übernimmt die Abteilung Atomphysik. Übersteht das System eine erste Strahlzeit im Rahmen der in diesem Dokument beschriebenen Anforderungen, so ist die Entwicklungsphase beendet und das System gilt als abgenommen. Ist das System abgenommen, so kann die DVEE im Rahmen der üblichen Benutzerberatung Hilfestellung geben. Seite 13 / 13