PMX - Steuerungssystem vereint mit hochwertiger Mess- und Prüftechnik in mechatronischen Systemen

Der Bedarf und die Anforderungen an Produkte unseres täglichen Lebens werden immer ausgeprägter. Dies zeigt sich z. B. in den immer kürzer werdenden Modellzyklen der Produkte, sei es bei elektronischen Geräten wie Fernsehern, Mobiltelefonen oder auch in den Modelloffensiven der Automobilhersteller.

Und die Hersteller müssen darauf reagieren. Dies tun sie, indem sie Test- und Produktionsanlagen konzipieren und modernisieren, die auf maximale Flexibilität ausgelegt sind. Dabei gilt aber immer die Maxime: Reduzierung der Vielfalt von Komponenten wie Hardware, Verbindungen und Software. Dies scheint zunächst ein Widerspruch zu sein, zumal wenn man berücksichtigt, dass der Zeitaufwand für Aufbau, Betrieb und (Fern-)Wartung der Anlagen konsequent verkürzt werden muss, um den Kostenrahmen möglichst gering und damit wettbewerbsfähig zu halten. Wie kann all das erreicht werden?

Dieser Artikel behandelt folgende Themen:

  1. Marktanforderungen an mechatronische Systeme im Wandel der Zeit
  2. Aufgaben der modernen Steuerungstechnik
  3. Welchen Nutzen bringt hochwertige Messtechnik?
  4. Wie helfen „Smart-Functions“ in der Prüf- und Produktionstechnik?
  5. Moderne Automatisierungkonzepte und effiziente Diagnose

1. Marktanforderungen an mechatronische Systeme im Wandel der Zeit

Vorbei sind die Zeiten, in denen ganze Abteilungen mit entsprechenden Ressourcen ausgestattet waren, um Produktentwicklung und Produktionsanlagen individuell zu konzipieren und zu entwickeln. Oftmals bestanden die Lösungen aus ganz eigenen und nicht wiederverwertbaren Konstruktionen. Das Zusammenspiel der einzelnen Komponenten einer Anlage war oft nur durch komplizierte Übertragungswege und Schnittstellenwandler möglich. Um diese immer komplexer werdenden Systeme effizienter zu gestalten, wurde im Lauf der Zeit konsequent auf einheitliche Schnittstellen und Komponenten aus einem Baukastensystem umgestellt.

Produktentwickler und Produktionsplaner suchen gleichermaßen flexible Systeme, in die zum einen neue Technologien leicht zu integrieren sind. Zum anderen soll nicht jedes Mal eine erneute Einarbeitung nötig werden. Dabei ist grundsätzlich zu unterscheiden zwischen Aufgaben im Automatisierungsbereich und im Produktentwicklungsbereich. Im Produktentwicklungsbereich ist genaue Messwertfassung mit hohen Aufzeichnungsraten gefordert, im Automatisierungsbereich müssen die Abläufe in deterministischer Echtzeit durchgeführt werden, um die Maschinen im optimalen Betriebszustand zu betreiben, wobei Messdaten niedrige, Diagnosedaten dagegen hohe Priorität haben. Diese vormals getrennten Disziplinen sind inzwischen längst in mechatronischen Systemen zusammengewachsen. Idealerweise sind die Komponenten mit der entsprechenden Flexibilität ausgestattet, um in beiden Bereichen eingesetzt zu werden.

2. Aufgaben der modernen Steuerungstechnik

Das gleiche gilt für die Test- und Steuerungssoftware. Die gemessenen Größen aus dem Versuchsfeld müssen mit geeigneter Software gespeichert und ausgewertet werden. Diese Software ist wegen der hohen Datenmengen PC-gestützt und wird über eine Ethernet-Schnittstelle auf einen Messrechner übertragen. Später sollen in der Produktionsumgebung dann Teile und Methoden der Auswertesoftware teilweise wieder genutzt und mit Teilen der Steuerungstechnik angereichert werden.

Hinzu kommt, dass in Produktionsumgebungen oftmals ein hohes Maß an Echtzeitverhalten der mechatronischen Systeme gefordert ist, die ein reibungs- und fehlerfreies Zusammenspiel aller Komponenten garantieren. Dafür eignet sich eine Steuerungssoftware, die direkt auf den Zielsystemen, also sehr hardwarenah, arbeitet. Trotzdem soll die Projektierung komfortabel und die Fehlersuche (Debugging) einfach sein. Dazu wurde Anfang der 1990er Jahre mit der Norm IEC61131 eine einheitliche Grundlage geschaffen, die heutzutage allen Steuerungen zugrunde liegt. Sie entstand als Essenz aus den bis dahin vorhandenen, rein elektromechanischen Steuerungen, die aus Relaistechnik und mechanischer Schaltungstechnik bestanden.

Mit dem Einzug der Elektronik in die Automatisierung entwickelten viele Hersteller speicherprogrammierbare Steuerungen (SPS), die dieser Norm folgten, was für die Anwender einen wesentlichen Fortschritt in Richtung Vereinfachung darstellte. Jedoch waren die Anwender immer noch an einen der SPS-Hersteller gebunden. Da lag es nur nahe, die genormten Steuerungsfunktionen auch als Softwarelösung den Anwendern zur Verfügung zu stellen. Daraus entstand die heute weltweit verbreitete Soft-SPS CODESYS.

Mit der nach IEC61131-3 genormten Steuerungssoftware CODESYS steht heute eine ideales und ausgereiftes Automatisierungswerkzeug zur Verfügung, das viele vordefinierte Funktionen und Methoden für den Applikationsentwickler bereithält. Dabei wurden konsequent moderne Methoden der Programmiertechnik implementiert. Die Applikation wird nach Erstellung und Test mittels eines Compilers in Maschinencode übersetzt und auf das Ziel-Automatisierungssystem übertragen.

3. Welchen Nutzen bringt hochwertige Messtechnik?

Der Markt fordert neue Produkte mit mehr Funktionalität und hoher Qualität in immer kürzerer Zeit. Die Anforderung an die Hersteller liegt nun darin, bereits getestete hochwertige Mess- und Prüfkomponenten im Produktionsumfeld wiederzuverwenden, um die Anforderungen an Qualität – und vor allem Time-to-Market zu erfüllen. Im Bereich Entwicklung und Prototypenbau sind hochgenaue Messtechnik mit einer Genauigkeitsklasse von 0,05 und kleiner sowie hohe Messraten gefordert, um kleinste Veränderungen am Messobjekt erfassen und dokumentieren zu können. Nur so können Produkt- und Qualitätsmerkmale genau und wiederholbar sicher erfasst werden. Dazu müssen die Messgeräte über die entsprechende Mess- und Signalqualität verfügen.

Dies zeigt, dass mit steigenden Qualitätsansprüchen an die Endprodukte und die Produktionsanlagen auch genauere Sensorik und Messwerterfassung notwendig ist. Herkömmliche speicherprogrammierbare Steuerungen (SPS) können die gefordert Qualität nicht leisten. Nur Messverstärker wie PMX, mit hoher Signalauflösung (24 Bit) und unempfindlicher Wandlereingangsstufe erfüllen diese Anforderungen. Dazu empfiehlt sich das Trägerfrequenzmessverfahren (TF), das die Messsignale einer Trägerfrequenz aufmoduliert und dann erst verstärkt. Damit werden systembedingte Störeinflüsse wie Netzbrummen und Thermospannungen eliminiert.

Wichtig: Dabei werden alle Messkanäle, unabhängig von der Ausbaustufe, mit einer Abtastrate von 19200 Hz parallel erfasst. Das Messsystem PMX ermöglicht so eine Gesamtperformance von 400.000 Messwerten pro Sekunde, was mit herkömmlichen speicherprogrammierbaren Steuerungen (SPS) nie erreicht werden kann. Dies zeigt bereits die Grenzen solcher Systeme, die damit für qualitativ höherwertige Mess- und Regelungsaufgaben nicht mehr in Betracht kommen können.

Das Messdatenerfassungs- und Automatisierungssystem PMX verfügt über unterschiedliche Schnittstellen, die je nach Anwendung genutzt werden. Für die Messdatenerfassung steht Ethernet mit dem weit verbreiteten TCP/IP-Protokoll für die Speicherung großen Mengen von Messdaten auf einem externen Auswertesystem zur Verfügung. Für die Automatisierung können echtzeitfähige Feldbusse wie CAN, EtherCat, Profinet oder Ethernet/IP im PMX genutzt werden. Durch die Multi-Client-Fähigkeit von PMX können alle Daten und auch die Diagnoseinformationen an all diesen Schnittstellen parallel genutzt werden. Diese Kombination ist einzigartig in der Automatisierungswelt und spart erhebliche Ressourcen bei der Projektierung und Applikationserstellung beim Anwender.

4. Wie helfen „Smart-Functions“ in der Prüf- und Produktionstechnik?

PMX web browser PMX is very easy to operating by touchscreen.

Anwender und Anlagenbediener kennen und nutzen täglich den Bedienkomfort moderner Smartgeräte. PMX bringt diesen Komfort nun erstmals in den Bereich Mess- und Prüftechnik - eine bis dato nur von Smartphones und Tablet-PCs bekannte Software- und Bedien-Technologie. Standardisierte Schnittstellen ermöglichen zudem einen bequemen Zugriff auf alle Geräteparameter für Konfiguration, Bedienung und Analyse - über jedes internetfähige Endgerät. Das Ergebnis: maximale Investitions- und Zukunftssicherheit für den PMX-Nutzer.

Die browserbasierte PMX-Software setzt Standards in Sachen Leistungsfähigkeit und Benutzung. Alles, was Anwender für den Einsatz der Software benötigen, ist ein internetfähiges Endgerät. Über dessen Webbrowser können sie bei Service und Wartung oder zur Evaluierung von Prozessen schnell und bequem auf alle Mess-, Diagnose- und Produktionsdaten zugreifen - und das weltweit, wenn gefordert.

Prozesssicherheit erhöhen: Drei verschiedene Benutzerebenen mit entsprechenden Rechten garantieren den maximalen Schutz vor unberechtigten Zugriffen auf PMX und alle Prozesse. Umständliche und fehleranfällige Softwareinstallationen entfallen. Die Kombination von Ethernet-Technologien und Internet ermöglicht zudem eine kostengünstige Fernwartung. Von all diesen Faktoren profitieren Administratoren und Anwender in der Produktion.

5. Moderne Automatisierungskonzepte für Prüffeld und Produktionsbereich mit effizienter Diagnose

Abb.: CODESYS-Entwicklungssoftware und Web-Visualisierung

Die genormten Steuerungssprachen nach IEC61131-3 sind, wie erwähnt, ein weltweit eingesetzter Standard in der Prozess- und Fabrikautomatisierung, nach dem letztlich alle SPS-Steuerungen arbeiten. Dazu zählen Anlagen im Pressenbau, Buch- oder Zeitungsdruck sowie in der Herstellung von Möbeln oder Komponenten für Kraftfahrzeuge.

Das HBM-Messverstärkersystem PMX verfügt nun auch über eine integrierte Steuerung für Echtzeit-Anwendungen. Basis ist die CODESYS V3-Softwareplattform von 3S und das IEC 61131-3-Programmiersystem. Es werden alle Programmiersprachen dieses Systems unterstützt. Damit verschmelzen erstmals hochwertige und störsichere Messtechnik und weltweit genormte Steuerungstechnik und dem Anwender eröffnen sich neue Automatisierungslösungen, inklusive Target- und Web-Visualisierung. Um die Codeerstellung effizient zu gestalten, werden Tools serienmäßig mitgeliefert.

Weitere Anwendungen finden sich in den Bereichen Energie-Automation, Mobile Automation, Embedded Automation und Gebäudeautomation. Dort kommt PMX zum Einsatz bei der Steuerung kleinerer Solaranlagen, Wasserkraftanlagen, integrierter Wäge- und Abfüllsteuerungen, medizinischer Anlagen, Beleuchtung oder Klimaüberwachung. Mit CODESYS, der übergreifenden Software-Suite für die Automatisierungstechnik, findet der Anwender alles, was er zur Programmierung, Feldbus- und E/A-Konfiguration, Visualisierung, MotionControl und weiteren Aufgaben benötigt, sogar eigene Plug-Ins wie Funktionen und Bibliotheken.

Zu den einzelnen Bausteinen, die in PMX implementiert wurden, zählen:

CODESYS Engineering:

Professionelles Engineering von IEC 61131-3-Anwendungen für Praktiker und Software-Ingenieure – in einer erweiterbaren Plattform. Speziell die Programmiersprache Strukturierter Text (ST) entspricht weitestgehend den Hochsprachen wie sie von C/C++ bekannt sind. Neben nützlichen Hilfsfunktionen wie Intelli-Sense, AutoComplete, Syntax-Fehlererkennung wurde auch die objektorientierte Programmiertechnik (OOP) implementiert. Dies wird verstärkt von innovativen Programmierern genutzt, die in immer kürzerer Zeit effektiv Programmcode erstellen und verwalten müssen. Um die Codeerstellung effizient zu gestalten, werden hier Tools serienmäßig mitgeliefert. Dazu zählen die Nutzung von Funktionen und Bibliotheken sowie statischer Programmcodekontrolle zur Codeanalyse, ein Profiler zur Codeoptimierung und ein Test-Manager zum Erstellen von Testskripten für den Programmcode.

CODESYS Fieldbus:

Integrierte Unterstützung im IEC 61131-3-Tool: damit wird die immer noch weit verbreitete CANopen-Schnittstelle im PMX unterstützt. Sie kann Daten empfangen (CAN-Master) oder CAN-Daten senden (SDO/PDO-Betrieb). Somit lassen sich weitere CAN-basierte Feldmodule flexibel in das PMX-System integrieren und der jeweiligen Anforderung anpassen. Signale oder Messwerte werden über CAN eingelesen, Aktoren über die CAN-Schnittstelle angesteuert und geregelt.

CODESYS Visualization:

Erstellung professioneller Visualisierungs-Oberflächen voll integriert im SPS-Programmiersystem. Darstellung auf dem Zielgerät, einem PC oder im Web-Browser. CODESYS enthält eine umfangreiche Bibliothek von Visualisierungs- und Bedienelementen im modernen Design, die der Anwender genau passend zu den Anforderungen der Applikation auswählen kann. Die komplette Visualisierung kann über einfaches Umschalten von Stylesheets leicht geändert werden. Der Anwender kann neben vordefinierten Styles auch eigene erstellen.

CODESYS Store:

Der Programmierer wählt in diesem Online-Marktplatz aus einer Sammlung lauffähiger Programme und Bibliotheken im Internet aus. Der Store wird von 3S betrieben, der Code wurde vor der Veröffentlichung getestet. Der Anwender kann auch eigene Codes veröffentlichen und zwischen einer kostenlosen oder kostenpflichtigen Nutzung durch andere Anwender entscheiden. Eine sehr effiziente Möglichkeit der Zeitersparnis und Funktionserweiterung wie wir sie im Konsumerbereich durch den App-Store bereits kennen und nutzen.

CODESYS Security:

Know-How-Schutz steht mittlerweile für viele Unternehmen mit an vorderster Stelle, dazu zählen auch Software-Lösungen. Das in PMX integrierte CODESYS bietet hier mehrere Möglichkeiten. Zum einen im Applikationsprojekt - hier können Projektdateien und Bibliotheken mit Passwörtern oder dem CODESYS Security Key (USB-Dongle) verschlüsselt werden. Eine weitere Möglichkeit ist die projektbezogene Benutzerverwaltung einzelner Programmbausteine. Zum anderen auf dem Zielgerät, also PMX – durch definierbare Benutzerprofile zum Zugriffsschutz für Applikationen, Steuerung und Visualisierung. Weitere effektive Methoden sind die Verschlüsselung der Boot-Applikation oder die verschlüsselte Kommunikation der ausgeführten Applikation.

Abb.: PMX mit Codesys-Steuerung und Web-Visualisierung

Eine CODESYS-Runtime-Lizenz ist bereits im PMX mit dem Grundgerät WGX001 enthalten. Die mitgelieferte CD enthält die CODESYS-Entwicklungssoftware V3.5, das dazugehörige PMX-Paket und eine Sammlung hilfreicher Beispielprogramme zur Code-Generierung, Web-Visualisierung und Einbindung von CANopen-Modulen. Bei HBM erhält der Anwender alles aus einer Hand. HBM liefert die komplette Messkette mit der passenden Softwarelösung. Die HBM Experten beurteilen die Aufgabenstellung und übernehmen die Projektabwicklung - von der Programmerstellung bis hin zur fertigen Anwendung und der nötigen Dokumentation.

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