Ein NI-LabVIEW-Toolkit für die Erstellung von vollwertigen, virtuellen SPS-Funktionen
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- Gerrit Böhler
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1 Ein NI-LabVIEW-Toolkit für die Erstellung von vollwertigen, virtuellen SPS-Funktionen "Das Fraunhofer Institut für Werkstoffmechanik in Freiburg entwickelte ein Toolkit, mit dem typische SPS-Fragestellungen in maximaler Anlehnung an die SPS-Normen in NI LabVIEW realisiert wurden." - Dipl.-Ing. Yakiv Brontfeyn, Fraunhofer IWM Freiburg ( ) Die Aufgabe: Entwicklung eines Toolkits zur Realisierung typischer SPS-Fragestellungen in der grafischen Programmiersprache NI LabVIEW. Dabei soll eine maximale Anlehnung an die SPS-Normen erreicht werden, um auch LabVIEW-Anfängern, die sich mit SPS auskennen, schnell und einfach Lösungen für komplexe Steuerungsprobleme zu bieten. Die Lösung: Vereinigung von realen und simulierten Ein- und Ausgängen. Somit wird es dem Benutzer ermöglicht, den Ablauf vom SPS-Programm vor der Übertragung auf ein FPGA in allen Aspekten zu simulieren. Das Toolkit enthält neben den klassischen SPS-Funktionen viele weitere SubVIs. So können die Vorteile einer genormten Programmierumgebung mit den unbegrenzten Möglichkeiten und der Flexibilität von NI LabVIEW kombiniert werden. Autor(en): Dipl.-Ing. Yakiv Brontfeyn - Fraunhofer IWM Freiburg ( ) Diese Kundenlösung wurde im Tagungsband 2012 ( des Technologie- und Anwenderkongress "Virtuelle Instrumente in der Praxis" ( veröffentlicht. Sie haben Fragen zu dieser NI-Lösung oder zu unseren Produkten? Zum Kontaktformular ( Vollständige Kundenlösung lesen Kurzfassung Die IEC ist die einzige weltweit gültige Norm für Programmiersprachen von speicherprogrammierbaren Steuerungen SPS (PLC). Sie definiert fünf Bestandteile für die Erstellung von integrierten Programmen. Sie sind dem Anwender als Anweisungsliste, Kontaktplan, Funktionsbaustein-Sprache, Ablaufsprache und strukturierter Text bekannt. Das vorgestellte Toolkit ist ein Versuch, typische SPS-Fragestellungen in der maximal an die SPS-Normen angelehnter Form in der grafischen Programmiersprache NI LabVIEW ( zu realisieren. Ziel ist es auch NI-LabVIEW-Anfängern, die sich mit SPS auskennen, schnell und einfach Lösungen für komplexe Steuerungsprobleme zu bieten. Man kann nicht nur am PC laufende SPS-Programme realisieren, sondern auch in den vom PC unabhängigen Umgebungen (z. B. CompactRIO). Wie in einer richtigen industriellen SPS können dann Funktionen, wie der Autostart nach einem Stromausfall, realisiert werden. Realisierung Wie im Bild 1 zu sehen, sind die SubVIs in verschiedene Funktionsgruppen zusammengefasst: Konstantenklemmen (für Logik- und Kontaktplan), Grundfunktionen, Sonderfunktionen sowie Gruppeoperationen. Bild 1: Darstellung aller SubVIs des Toolkits Das NI-LabVIEW-Funktionsdiagram der virtuellen SPS ist eine Sequenz mit Feldern für Hardwaretreiber, die Eingänge lesen oder Ausgänge schreiben sowie Bausteine, die mit dem Benutzer interagieren. Der virtuelle SPS-Baustein besteht aus einem Haupt-VI, welches spezielle Benutzerfelder enthält. Am Anfang sind diese leer, der Baustein gewährleistet beim Start die Initialisierung aller Variablen, beim Stop die Rückführung aller Ausgänge in einen sicheren Zustand. 1/5
2 Dem SPS-Programmierer ist es erlaubt, die SubVIs aus dem Toolkit in den Benutzerfeldern zu verwenden. Dort zeichnet er Elektro- und Logikschaltpläne, die den Kontaktplan (KOP) bzw. den Funktionsplan (FUP) nachahmen. Auf diese Art wird eine maximale Ähnlichkeit zur genormten SPS-Umgebung gewährleistet. Als erstes Beispiel betrachten wir eine einfache Steuerungsaufgabe. Es gilt, die Steuerung eines elektrischen Motors mit Tasten START/STOP nach Selbsthaltung-Prinzip und zusätzlich eine Lichtschaltung mit einem Taster nach Stromstoß-Prinzip zu realisieren. Im Bild 2 sieht man drei SPS-ähnliche Lösungsansätze, basierend auf dem Toolkit. Dabei entsprechen sie jeweils dem Kontaktplan (links), dem Funktionsplan (rechts oben) und der Ablaufsprache (rechts unten). Bild 2: Lösung für Aufgabenstellung, realisiert als Kontaktplan (links), dem Funktionsplan (rechts oben) und Ablaufsprache (rechts unten) Das nächste Beispiel beschreibt eine in der Industrie sehr oft vorkommende, mittelkomplexe Aufgabe. Es geht um die Steuerung eines umkehrbaren elektrischen Antriebs mit zwei Zuständen (siehe Bild 3). Bild 3: Kontaktplan eines umkehrbaren Antriebs mit zwei Zuständen Mithilfe des SPS-Toolkits erarbeitet man sich schnell und einfach eine dem Standard entsprechende Lösung. Die Handbedienung erfolgt mit drei v o n e i n a n d e r u n a b h ä n g i g e n T a s t e n ( O P E N, C L O S E u n d S T O P ). Das System ist gegen gleichzeitige Tastenbetätigung geschützt, es gibt auch die Möglichkeit, direkt zwischen den Befehlen OPEN und CLOSE zu wechseln, ohne die Taste STOP zu betätigen. Eine blinkende Lampe dient als Anzeige vom Positionswechsel des Antriebs. Zum Schutz des Motors wird dieser nach einer bestimmten Arbeitszeit (30 s) abgeschaltet. Die Zeit für die Operationen OPEN und CLOSE ist benutzerdefiniert. Zum Beispiel soll die Bewegungsdauer zwischen zwei Zuständen nicht mehr als 25 Sekunden betragen. Die Flexibilität des Toolkits zeigt sich darin, dass man die gleiche Aufgabe, basierend auf dem Ablaufsprache Prinzip, realisieren kann (siehe Bild 4). Man kann und darf Gruppen aus KOP, FUP und AS mischen, um so ein komplexes Problem in einfache Teilaufgaben zu gliedern. Jede Teilaufgabe kann wiederum je nach Eignung als KOP, FUP oder AS realisiert werden. Somit erhält man ein flexibles und für SPS-Fachkräfte leicht verständliches System. 2/5
3 Bild 4: Umkehrbarer Antrieb mit zwei Zuständen, realisiert in der Ablaufsprache Zusammenfassung In diesem Beitrag wurde ein neuartiges NI-LabVIEW-Toolkit vorgestellt, welches eine Schnittstelle zur genormten SPS-Umgebung bietet. Die mit dem Toolkit erstellten Programme unterscheiden sich von nicht mit NI LabVIEW erstellten, genormten SPS-Projekten je nach verwendeter H a r d w a r e n u r b e i d e n T r e i b e r b i b l i o t h e k e n. Die Vorteile des Systems liegen in der Vereinigung von realen und simulierten Ein- und Ausgängen. Somit wird es dem Benutzer ermöglicht, den Ablauf vom SPS-Programm vor der Übertragung auf ein FPGA in allen Aspekten zu simulieren. Das Toolkit enthält neben den klassischen SPS-Funktionen viele weitere SubVIs. So können die Vorteile einer genormten Programmierumgebung mit den unbegrenzten Möglichkeiten und Flexibilität von NI LabVIEW kombiniert werden. Autor: Dipl.-Ing. Yakiv Brontfeyn Fraunhofer IWM Freiburg ( ) Wöhlerstraße 11 Freiburg Deutschland Tel: +49 (0) Fax: +49 (0) jakob.brontfeyn@t-online.de (mailto:jakob.brontfeyn@t-online.de) Bild 1: Darstellung aller SubVIs des Toolkits 3/5
4 Bild 2: Lösung für Aufgabenstellung, realisiert als Kontaktplan (links), dem Funktionsplan (rechts oben) und Ablaufsprache (rechts unten) 4/5
5 Bild 3: Kontaktplan eines umkehrbaren Antriebs mit zwei Zuständen Bild 4: Umkehrbarer Antrieb mit zwei Zuständen, realisiert in der Ablaufsprache Rechtliche Hinweise Diese Kundenlösung ( Kundenlösung ) wurde von einem Kunden von National Instruments ( NI ) entwickelt. DIESE KUNDENLÖSUNG WIRD IM IST-ZUSTAND ZUR VERFÜGUNG GESTELLT UND NI ÜBERNIMMT KEINERLEI GARANTIEN. AUSFÜHRLICHERE ERLÄUTERUNGEN ZU ANDEREN EINSCHRÄNKUNGEN ENTNEHMEN SIE BITTE DEN NUTZUNGSBEDINGUNGEN FÜR NI.COM. 5/5
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