Der Markt für Bediengeräte, auch als Mensch-Maschine-Schnittstelle (Human-Machine Interface, HMI) bezeichnet, wächst stetig. Allein in Europa ist gemäß den Umfragen einiger Marktforschungs-Institute bis 2008 von einer jährlichen Steigerungsrate von 4% auszugehen. Während sich die Nachfrage nach vollgrafischen Bildschirmen erhöht, wird der Anteil einfacher Text-Displays am Gesamt-Bediengeräte-Markt weiter zurückgehen (Bild 1). Eine wichtige Anforderung der Anwender an die Bediengeräte ist, dass sie sich einfach in das Anlagenkonzept integrieren lassen, das auf zentralen oder dezentralen Steuerungen basiert. Dabei soll der Konfigurationsaufwand der Geräte bei gleichzeitig hoher Transparenz sowie umfangreicher Funktionalität gering sein. Die Mensch-Maschine-Schnittstelle muss darüber hinaus offene Schnittstellen nicht nur zur Steuerung, sondern auch zum Scada- oder ERP-System zur Verfügung stellen (Bild 2). Bisher stand die Ankopplung des Bediengeräts an die Steuerung im Vordergrund. Die Daten-Schnittstelle sollte lediglich Daten übertragen. Eine vollständige Integration der HMIs in das Anlagen-Netzwerk, die für eine einheitliche Datenbasis und damit zur Wiederverwendung bereits definierter Prozessdaten auch für die Bediengeräte notwendig ist, war zum Teil nicht vorhanden. Visualisierungsdaten konnten zwar mit Hilfe des MMI-COM-Protokolls über ein Feldbussystem ausgetauscht werden. Allerdings war eine einfache Zuordnung zu den Prozessdaten nicht möglich, da diese sequentiell über ein Datenfeld erst wieder beim jeweiligen Empfänger zugeordnet werden mussten. Das beschriebene Konzept erfüllte zwar die Anforderung der Kommunikation untereinander, der Plug&Play-Gedanke war jedoch nicht richtig ausgeprägt. Bediengeräte nahtlos ins Steuerungskonzept integrieren Im Rahmen des Systems Automationworx hat Phoenix Contact eine neue Lösung entwickelt, die einen anderen Weg beschreitet: die Bediengeräte integrieren sich hier nahtlos in das Steuerungskonzept. Dabei steht die Einfachheit durch Plug&Play im Vordergrund. Damit dieses Ziel erreicht wird, verfügen alle HMIs über folgende Funktionen: Windows CE 5.0 als Betriebssystem, leistungsfähige ARM-Prozessoren, Ethernet-Schnittstelle und USB-Ports standardmäßig onboard, integrierter OPC-Server sowie vorinstallierte Softwarekomponenten mit Visualisierungs-Runtime. Windows CE sorgt für die Portierbarkeit von Funktionen sowie für die informationstechnische Durchgängigkeit bis in die Unternehmensleitebene. Auf diese Weise lassen sich zusätzliche Funktionen künftig einfacher implementieren, und das Bediengerät kann neben der Anzeige von Visualisierungsseiten weitere Aufgaben übernehmen. Die Integration des Profinet-Protokolls ist einer der nächsten Entwicklungsschritte. Durch die Verwendung von ARM-Prozessoren wird die Leistungsfähigkeit des Betriebssystems Windows CE vollständig genutzt. Als HMI werden Operator Terminals (OT) sowie Touch Panels (TP) als kompakte Bedienen-und-Beobachten-Geräte angeboten. Die Geräte mit Bildschirm-Diagonalen bis zu 6\“ verwenden einen Risc-Prozessor vom Typ ARM9 mit 200MHz. Sie verfügen über ein Touch Panel (TP) oder ein Display mit bis zu 22 Tasten sowie 18 Funktionstasten. Sie können sowohl im Quer- wie auch in Hochformat in alle vier Richtungen eingebaut werden. Ab der 10\“-Variante sorgt ein XScale-Prozessor mit 400MHz für die notwendige Leistung. Darüber hinaus wurde in alle XScale-Bediengeräte neben den Schnittstellen der ARM9-Geräte eine CF-Karte (Compact-Flash) sowie ein TFT-Display integriert. Damit ist nicht nur die Display-Größe, sondern auch die Prozessorleistung skalierbar. Kommunikation erfolgt durchgängig Die Steuerungen und Bediengeräte von Phoenix Contact verfügen jeweils über eine Ethernet-Schnittstelle, die das Plug&Play-Prinzip erst ermöglicht. Die HMIs müssen lediglich an das vorhandene Ethernet-Netzwerk angeschlossen werden, in dem sich die Steuerungen befinden. Damit ist eine durchgängige Kommunikation von der Feld- über die Bedienebene bis zum Prozessleit- oder ERP-System möglich. Die Kommunikation über Ethernet erfolgt mit Hilfe der OPC-Technologie. Innerhalb der Engineering-Software PC Worx, mit der alle Steuerungen von Phoenix Contact auf der Basis von IEC-61131-3 programmiert werden, können sämtliche Variablen, die für die Bediengeräte genutzt werden sollen, mit einem OPC-Merkmal versehen werden. Nach der Programm-Erstellung wird das SPS-Projekt mit den OPC-Informationen auf die Steuerung geladen, um Inkonsistenzen zwischen den OPC- und SPS-Daten zu vermeiden. Steht keine Hardware zur Verfügung, ermöglicht der OPC-Konfigurator eine Offline-Projektierung. Dabei befindet sich die OPC-Datei auf dem Programmierrechner und nicht auf der Steuerung. Anschließend muss der OPC-Kommunikationsweg über den OPC-Konfigurator eingestellt werden. Hierbei werden lediglich Typ und IP-Adresse der Steuerung angegeben. Dann können die Visualisierungsseiten erstellt werden. Alle Bediengeräte von Phoenix Contact verwenden mit Visu+ die gleiche Visualisierungs-Software, deren Runtime-Version bereits vorinstalliert ist. Visualisierungswelt per Mausklick einbinden Visu+ ist ein vollwertiges, FDA-kompatibles Scada-System mit umfangreichen Funktionen: Bedienen und Beobachten, Trend-Darstellung und Alarm-Management sowie Funktionen zur Betriebsdatenerfassung, zur Protokollierung und zur Anbindung an Datenbanken- und ERP-Systeme. Die im Hintergrund befindlichen Visualisierungsseiten lassen sich online ändern. Mit Hilfe eines Projekt-Wizzards sowie vorgefertigter Muster (Templates) für jedes Bediengerät wird die Erstellung erleichtert. Der eingebaute OPC-Client sorgt für die Kommunikation mit der Steuerung. Über die OPC-Client-Funktionalität kann der Anwender einfach auf die OPC-Variablen oder auf die Prozessdaten zugreifen. Er muss sich nur die verfügbaren OPC-Daten im Browser anschauen und die Visualisierungswelt dann per Mausklick mit der Steuerungswelt verbinden. Nachdem die Visualisierungsseiten erstellt sind, können sie auf das Bediengerät herunter geladen werden. Im Vorfeld ist das Bediengerät allerdings über ein integriertes Service-Tool zu konfigurieren. Dabei werden die notwendigen Grundeinstellungen vorgenommen, wie die Vergabe der IP-Adresse und der OPC-Parameter. Sind alle erforderlichen Einstellungen im Bediengerät vorhanden und wurde die Visualisierung herunter geladen, ist die Parametrierung abgeschlossen. Falls im Netzwerk weitere Bediengeräte mit der gleichen Visualisierung vorhanden sind, reduziert sich ihre Parametrierung auf die Vergabe der IP-Adresse und der OPC-Konfigurationsdaten. So können beispielsweise Handheld-Geräte einfach über ihren Anschluss in das vorhandene Ethernet-Netzwerk integriert werden. Parametrieren statt Programmieren Die Parametrierung der Bediengeräte beschränkt sich auf vier Schritte: Prozessdaten als OPC-Variable deklarieren, SPS-Programm mit OPC-Variablen zur Steuerung senden, Kommunikations-Parameter am Bediengerät und am Programmierrechner einstellen, sowie Visualisierung erstellen und herunterladen. Für die Umsetzung der Visualisierungsseiten sind keine Programmierkenntnisse notwendig. Alle Einstellungen können mit der Maus vorgenommen werden, sofern die Visualisierung nicht durch die verfügbare Script-Sprache veredelt wird. Auf die Steuerung können ein oder mehrere HMIs gleichzeitig zugreifen (Bild 3). Zusätzlich lassen sich die OPC-Daten über ein so genanntes Master-Bediengerät an eine bestimmte Anzahl von HMIs weiter verteilen. Damit zeigen die Bediengeräte von Phoenix Contact, dass sich komplexe Themen wie die Vernetzung von HMIs mit den Steuerungs- und Leitsystemen bereits heute via Parametrierung statt Programmierung realisieren lassen.
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