Was passiert, wenn man versucht, dezentrale E/As zu einem zeitkritischen Regelungssystem hinzuzufügen? Zunächst stellt sich die Frage, wie sich ein bestehendes Echtzeitsystem durch E/As ergänzen lässt, ohne dass dabei der Determinismus zerstört wird. Wird kein echtzeitfähiges Kommunikationsprotokoll verwendet, besteht die Möglichkeit, mehrere Echtzeit-Controller über verteilte Taktgeber (Distributed Clocks) oder Hardware-Trigger zu synchronisieren. Das mag für kleinere Systeme eine gute Lösung sein. Doch sobald eine Vielzahl an E/A-Kanälen und damit auch eine Vielzahl an Echtzeit-Controllern zwingend erforderlich ist, werden die erwähnten Synchronisationsmechanismen innerhalb kurzer Zeit komplex und aufwendig. Wie können also große, verteilte und vor allem deterministische E/A-Systeme realisiert werden? Eine Lösung bildet ein deterministisches Hochgeschwindigkeitskommunikationsprotokoll, das auf Ethernet basiert. Es überträgt die Daten der einzelnen E/A-Knoten und setzt dabei auf FPGA-basierter National-Instruments-Hardware und der Engineering-Plattform LabView auf. E/A-Erweiterungs-Chassis für flexible räumliche Verteilung Auf dem Technologie- und Anwenderkongress \’VIP – Virtuelle Instrumente in der Praxis\‘ im Oktober 2008 stellte National Instruments erstmals das Expansion Chassis NI9144 vor. Das Erweiterungssystem ermöglicht es, die E/A-Anzahl und deren räumliche Verteilung für PAC-Systeme (Programmable Automation Controller) mittels deterministischen Ethernets um ein Vielfaches zu erhöhen und beliebig zu gestalten. PAC-Systeme verbinden die Robustheit einer speicherprogrammierbaren Steuerung (SPS) mit der Funktionalität von PCs in einer offenen, flexiblen Softwarearchitektur. Das robuste Chassis mit acht Steckplätzen für Module der C-Serie tauscht Daten über das offene Industrial-Ethernet-Protokoll Ethercat aus. Als Master-Controller kann jedes CompactRio mit zwei Ethernet-Ports oder ein PXI-Echtzeitsystem mit einer zusätzlichen Ethernet-Schnittstellenkarte des Typs PXI-8231/8232 verwendet werden. Ausgehend vom Master-Controller werden dann mehrere 9144-Slave-Chassis hintereinander geschaltet. Dadurch wird die zeitkritische Anwendung erweitert. Das industrietaugliche Chassis wurde für hohe Widerstandsfähigkeit, Zuverlässigkeit und einen Betriebstemperaturbereich von -40 bis +70°C entwickelt. Des Weiteren ist es derzeit mit einer Auswahl von 30 Analog- und Digital-E/A-Modulen der C-Serie kompatibel. Kombination von LabView und FPGA-basierter Hardware Die Lösung von National Instruments unterscheidet sich dadurch von denen anderer Anbieter, dass LabView mit FPGA-basierter Hardware kombiniert wird. Die grafische Entwicklungsumgebung LabView bietet Anwendern unterschiedliche Möglichkeiten, Applikationen auf Betriebssystemen wie Windows, Linux und MacOS zu erstellen. Die Entwicklungsumgebung geht aber noch weiter. Neben Echtzeitsystemen können auch Mensch-Maschine-Schnittstellen (HMI – Human Machine Interfaces) unter Windows/CE bzw. Windows Mobile, Mikrocontroller und FPGAs (Field Programmable Gate Array) grafisch programmiert werden. Die Leichtigkeit, mit der LabView Türen zu diesen unterschiedlichen Technologien öffnet, sollte deshalb auch für verteilte, deterministische E/A-Systeme gelten, die auf dem NI9144 basieren. Der Schlüssel dazu ist die Entwicklung der sogenannten Scan Engine. Dadurch und mittels E/A-Variablen kann der Anwender direkt auf die Kanäle der C-Serien-Module zugreifen. Der Real-Time Master-Controller \’scannt\‘ somit zyklisch das Netzwerk und liest bzw. schreibt die Daten in die E/A-Variablen. Bei der Erstinbetriebnahme werden ausgehend vom Master-Controller alle Slave-Chassis inklusive der C-Serien-Module und der zugehörigen E/A-Variablen automatisch erkannt und im LabView-Projekt-Explorer angelegt. Nun muss lediglich eine der Variablen per Drag&Drop im Blockdiagramm eines Virtuellen Instrumentes (VI) abgelegt werden, um mit den physikalischen E/A-Kanälen Daten auszutauschen. Diese Technologie vereinfacht es, große verteilte Regelungssysteme zu implementieren. Unterstützt wird sie dabei durch Funktionsblöcke nach IEC1131. Produkte von Drittanbietern ins System integrieren Ein weiterer wichtiger Aspekt für offene Standards besteht darin, Produkte von Drittanbietern in das vorhandene System zu integrieren. Vor der Inbetriebnahme eines Drittanbietergerätes muss nur die Gerätebeschreibungsdatei (XML) des jeweiligen Herstellers im LabView-Projekt-Explorer eingelesen werden. In gleicher Weise wie zuvor bei den Erweiterungschassis des Typs NI9144 erkennt der Master-Controller das Slave-Modul und fügt automatisch sowohl das Gerät als auch die entsprechenden E/A-Variablen für Ein- und Ausgänge zum LabView-Projekt hinzu. Diese ermöglichen den einfachen Zugriff über ein Virtuelles Instrument von LabView- auf die Hardware. Sie unterscheiden sich in ihrer Handhabung nicht von den verwendeten herstellereigenen Komponenten. Drehgeber als neues Slave-Gerät in Architektur integriert National Instruments hat beispielsweise einen Drehgeber der Firma Baumer Ivo als weiteres Slave-Gerät in seine Architektur aufgenommen. Ziel war es, die Position des Drehgebers auszulesen und als Sollwertvorgabe an einen Servomotor zu übergeben, der den Bewegungen des Encoders folgt. Der Motor wird durch ein CompactRio-System geregelt, das mit dem Drehgeber und einem NI9144 für anspruchsvolle Messtechnikaufgaben verbunden ist. Die Herausforderung bestand darin, den Drehgeber im Gesamtsystem anzusprechen bzw. auszulesen. Die Integration des Dritthersteller-Slave-Modules nahm nur wenige Minuten in Anspruch. Davon entfiel der Löwenanteil auf das Anschließen der Versorgungsspannung sowie das Umkonfektionieren des M12-Steckers auf RJ45 zum Anschluss an das NI9144. Gerade mal zwei Minuten wurden für das Laden der XML-Datei, das Erkennen des Gerätes bis hin zur ersten Erfassung der Encoderposition in LabView benötigt. Schlussendlich wurde innerhalb kurzer Zeit eine Art Drive-by-Wire-Anwendung realisiert, bei der LabView für die Bedienoberfläche, die Echtzeitkommunikation mit eigenen und Dritthersteller-Komponenten, die Messdatenerfassung und die Programmierung der Motorsteuerung auf FPGA-Basis eingesetzt wird. Welcher ist nun der ideale Messtechnikbus? Wird Ethercat dadurch automatisch zum Standardmesstechnikbus der nächsten Generation? Wie auch in der Automatisierungstechnik gibt es im Bereich der Messtechnik nicht den idealen Bus. Bringt man etwas Struktur in die diversen Bussysteme, so lassen sich drei Kategorien festlegen. Zum Ersten sind das die internen bzw. PC-Busse, z.B. PCI, PCIe sowie PXI und PXIe, die für die Messtechnik entwickelt wurden. Deren Architekturen haben einen hohen Datendurchsatz (GByte/s) und enge Synchronisations- und Triggermechanismen. Deshalb eignen sie sich z.B. für das Signal-Streaming breitbandiger Digitizer im Steckkartenformat mit Abtastraten im Giga-Sample-Bereich bis hin zur RF-Messtechnik. Die zweite Kategorie bilden die sogenannten Peripheriebusse, allen voran USB, IEEE1394 (FireWire), Ethernet, RS232 und GPIB. Diese Standards haben sich bei der Anbindung von Messgeräten im unmittelbaren Umfeld von PC-Systemen etabliert, egal ob es sich um einen portablen Datenlogger wie das NI CompactDAQ mit USB-Anschluss oder Stand-alone-Geräte mit GPIB-Schnittstelle handelt. Häufig vernetzen Peripheriebusse Messgeräte ohne eigenständige Intelligenz mit einem zentralen Computer als eine Art Leitstand zur Datenanalyse, -visualisierung und -protokollierung. Die letzte Gruppe besteht aus den Feldbus- und Industrial-Ethernet-Protokollen wie Profibus, CANopen, Devicenet, Ethernet/IP usw. Die meist echtzeitfähigen Implementierungen dieser Busse wurden insbesondere für die Automatisierung im industriellen Bereich entwickelt. Ziel ist es, dezentrale Controller wie PAC-Systeme und SPSen durch Kommunikationsprotokolle miteinander agieren zu lassen, um ein großes, verteiltes Netzwerk an Sensoren und Aktuatoren zu steuern und zu regeln. Bei solch komplexen Anlagen sind deterministisches Antwortverhalten und die damit verbundene Zuverlässigkeit essenziell. Für National Instruments hat sich Ethercat als die geeignete Variante zur E/A-Erweiterung und Vernetzung der CompactRio-Plattform herauskristallisiert. Wie eingangs erwähnt, sollte die Anzahl der C-Serien-Steckplätze auf mehr als acht pro System erhöht und dabei nach wie vor harte Echtzeitfähigkeit gewährleistet werden. Die vorliegende Lösung ermöglicht dies und ergänzt daher die NI-Hardwareplattform durch ein weiteres Puzzleteil. Bei der Vielzahl der durch National Instruments unterstützten Busse gibt es also nicht den einen Bus für die Messtechnik. Vielmehr kann und muss abhängig von Anwendung und Umgebung die ideale Lösung für anspruchsvolle Messtechnik gewählt werden.
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