[Zusammenfassung] Dieser Artikel beschreibt die Einrichtung einer Kommunikationsverbindung zwischen einem Fuji POD und einer Siemens SPS in einer Lebensmittelverarbeitungslinie sowie die Entwicklung der Konfigurationssoftware für den Touchscreen. Aufgetretene Probleme werden analysiert und Lösungsansätze aufgezeigt. Schlüsselwörter: Touchscreen, SPS, Kommunikation 0 Einleitung Mit der Entwicklung von Computernetzwerken und Feldbustechnologie finden SPS und Touchscreens breite Anwendung in der industriellen Steuerung und Gebäudeautomation. Integrierte Überwachungssysteme, bestehend aus Feldbustechnologie, Bus-Schnittstellenmodulen, intelligenten Messgeräten und Steuerungseinrichtungen, haben sich zu einem wichtigen Entwicklungsfeld der modernen Automatisierungstechnik entwickelt. In der industriellen Steuerungstechnik gewinnt die Kombination von SPS und Touchscreens zunehmend an Bedeutung. Touchscreens erobern aufgrund ihrer einfachen Bedienung, des ansprechenden und intuitiven Designs, der einfachen Programmierung, der guten Kommunikation mit SPS und ihrer hohen Störfestigkeit immer mehr Branchen und maximieren so die Vorteile der Automatisierungssteuerung. PROFIBUS bietet zwei Kommunikationsprotokolle: DP und FMS. Die Touchscreens der Fuji UG-Serie unterstützen das DP-Protokoll. Fuji-Touchscreens zeichnen sich durch hohe Kompatibilität aus und kommunizieren mit SPSen von nahezu 30 Herstellern. Sie demonstrieren damit exzellente Kompatibilität und können zudem mit Computern kommunizieren (offenes Kommunikationsprotokoll). Über Schnittstelleneinheiten, UG031-P-Kommunikationskarten und Busverbindungen können UG-Touchscreens als Slave-Stationen fungieren und mit SPSen der Siemens-Serie S7-300 oder S7-400 als Master-Stationen kommunizieren (Netzwerkstruktur siehe Abbildung 1). Abbildung 1: PROFIBUS-DP-Netzwerkstruktur 1 Systemstruktur Hintergrund dieser Arbeit ist das Steuerungssystem einer Lebensmittelverarbeitungsanlage. Es umfasst ein Hauptsystem mit einer Rohstoffmischlinie, einer Kartoffelkuchenproduktionslinie und einer Verpackungslinie sowie ein Hilfssystem mit Dampfkesselanlage, Wasserversorgung, Druckluftversorgung, Beleuchtungsanlage, Belüftungsanlage und Brandschutzanlage. Die einzelnen Systeme sind relativ weit voneinander entfernt und verfügen über zahlreiche Kontrollpunkte, darunter mehr als 140 Motoren, 29 Frequenzumrichter und 15 Temperatur- und Feuchtigkeitsregler. Aufgrund der Systemkomplexität wird eine hierarchische Steuerungsstrategie angewendet. Zwei Host-Rechner übernehmen die Überwachung und Datenverwaltung auf Werksebene, während Touchscreen und SPS die Feldsteuerung realisieren. Die Kommunikation erfolgt über den Profibus-Feldbus. Die Host-Rechner verfügen über Schnittstellen zur Anbindung an lokale und Weitverkehrsnetze, um zukünftige Erweiterungen zu ermöglichen. Es stehen über 900 digitale Eingänge, über 400 digitale Ausgänge und 20 analoge Eingänge zur Verfügung. Im Folgenden wird das zentrale Steuerungssystem dieser Lebensmittelverarbeitungsanlage vorgestellt. Die Systemstruktur ist in Abbildung 2 dargestellt. SPS (1) steuert das Hauptsystem, SPS (2) das Hilfssystem. Da das Hilfssystem ähnlich aufgebaut ist, wird es in der Abbildung nicht dargestellt. Die SPS verwendet die CPU315-2DP der S7-300-Serie und die CPU226 der S7-200-Serie. Das PID-Modul ist ein FM355C, das Kommunikationsmodul ein CP342-5, das Erweiterungsmodul ein IM153-1 und die verwendeten E/A-Module sind: digitales Eingangsmodul SM321, digitaler Ausgang SM322 und analoger Eingang SM331. Der Host-Rechner ist ein Siemens-Industrie-Steuerungsrechner mit einer integrierten PCI-Schnittstellenkarte CP5611 zur Kommunikation mit der SPS. Zur Erweiterung des E/A-Moduls, um die Anforderungen an die Anzahl der Steuerpunkte zu erfüllen, wurde die CPU315-2DP der Serie S7-300 gewählt. Die Auswahl des IM-Moduls für die Erweiterung basiert auf der Entfernung zwischen dem IM-Modul und der zentralen Steuerung CPU315-2DP. Da alle E/A-Module im selben Schaltschrank untergebracht sind, wurde das IM153-1 mit einer Kommunikationsreichweite von 5 Metern gewählt[1]. Bei einer größeren Entfernung zwischen dem IM-Modul und der zentralen Steuerung kann ein IM-Modul mit einer Kommunikationsreichweite von 100 Metern gewählt werden. Der Touchscreen verwendet das Fuji UG420H-SC1, ein 10,4-Zoll-STN-Display mit 128 Farben, und basiert auf einer speziellen Konfigurationssoftware unter Windows 95/98/NT. Die benutzerfreundliche und intuitive Oberfläche ist leicht zu erlernen und anzuwenden, wodurch die Produktentwicklungszeit deutlich verkürzt wird. Die Programmiersoftware bietet eine umfangreiche Grafikbibliothek (Schalter, Leuchten, Balkendiagramme usw.) zur Auswahl und ermöglicht die Bearbeitung der benötigten Prozessgrafiken nach Anwenderwunsch. Sie kann BMP- und DXF-Dateien in AutoCAD konvertieren. Abbildung 2: Hardwarezusammensetzung und -struktur des Steuerungssystems. 2. Touchscreen-Kommunikationseinstellungen und Schnittstellendesign. Nach dem Hardwareanschluss müssen die Systemhardwarekonfiguration und einige Kommunikationsparameter in der Konfigurationssoftware festgelegt werden. Zunächst wird der Touchscreen-Typ ausgewählt; hier ist der Standard UG420 (640 x 480, 10,4 Zoll) ausgewählt. Anschließend werden Typ und Modell der mit dem Touchscreen kommunizierenden SPS angegeben; hier ist SIEMENS S7-PROFIBUS ausgewählt. Abschließend legen Sie die Systemparameter fest, beginnend mit den Lese- und Schreibbereichen. Der Lesebereich dient als Puffer zum Lesen von Daten von der SPS. Soll das System Trenddiagramme anzeigen, sollte der Lesebereich größer eingestellt werden; in der Regel sind 1000 Zeichen ausreichend. Der Schreibbereich dient zum Anzeigen und Speichern des Bildschirmstatus, der Seitenzahl, der Bildschirmüberlagerung, des Alarmstatus usw. Zusätzlich müssen im Dialogfeld „Anzahl der Wörter für E/A-Einstellungen“ die MPI-Adresse des Touchscreens und die Übertragungsrahmenlänge angegeben werden. Die MPI-Adresse ist bereits in der Hardwarekonfiguration der SPS definiert; beide müssen übereinstimmen, da sonst Kommunikationsfehler auftreten. Die Rahmenlänge beträgt 32 Byte, die Parität ist ungerade, die Datenlänge 8 Bit, das Stoppbit 1 Bit und die Kommunikationsmethode ist RS-485. Die UG00S-CW zeichnet sich durch umfassende und leistungsstarke Konfigurationsmöglichkeiten aus. Entwickler müssen sich während der Konfigurationsentwicklung keine Gedanken über Kommunikationsprotokolle machen, da Fujifilm alle technischen Details gekapselt hat; sie verfügt über eine intelligente Adressierung. Beim Erstellen eines Buttons ist dieser in der SPS vordefiniert (bei Siemens-SPSen werden sowohl digitale als auch analoge Signale im DB-Block definiert). Angenommen, die Adresse des Buttons lautet DB2.DBX2.0 (d. h. Bit 0 des zweiten Bytes im zweiten DB-Block), dann sollte die Adresse des Buttons auf dem Touchscreen als DB2:2-0 dargestellt werden. Abgesehen vom unterschiedlichen Adressierungsstil ist kaum etwas weiter zu tun; Sie müssen weder Variablen definieren noch sich um Kommunikationsrahmenstrukturen kümmern. Dasselbe gilt für analoge Signale, nur dass Sie die Anzahl der vom analogen Signal belegten Bytes angeben müssen; ansonsten ist es genauso einfach wie bei digitalen Signalen. Kurz gesagt: Die UG00S-CW ist sehr einfach und komfortabel für die Verarbeitung grundlegender analoger und digitaler Signale, stößt aber bei komplexeren Situationen auf unerwartete Probleme. Im zentralen Steuerungssystem dieser Lebensmittelproduktionslinie ist die Kompatibilität der Kommunikationsformate zwischen dem Fuji-Touchscreen und der Siemens-SPS problematisch. Einige analoge Größen, die von PID-Reglern im System gesteuert werden, müssen mithilfe von Trenddiagrammen dargestellt werden. Die Anzeige von Trenddiagrammen im UG00S-CW ist unkompliziert: Zuerst klickt man auf das Trenddiagramm-Symbol, wählt im Dialogfeld den gewünschten Trenddiagrammtyp aus und anschließend die Adresse jeder Kurve. Beim Online-Debugging erschien jedoch immer wieder die Fehlermeldung „Kommunikationsfehler“. Nach eingehender Untersuchung stellte sich heraus, dass das Problem am Trenddiagramm selbst lag. Durch Entfernen des Trenddiagramms aus dem Programm ließ sich das Problem beheben. Anschließend versuchte ich, die entsprechenden Analogdaten von der Siemens-SPS in den Puffer (internen Speicher) des Touchscreens einzulesen und die Adresse jeder Kurve im Trenddiagramm auf die entsprechende interne Adresse zu ändern. Nach dem Online-Debugging verschwand die Fehlermeldung „Kommunikationsfehler“, die Trenddiagrammkurven wurden jedoch fehlerhaft angezeigt. Weitere Beobachtungen ergaben, dass die Kurven nur dann korrekt dargestellt wurden, wenn der Analogwert null war; andernfalls zeigten sie ins Unendliche. Dieses Problem gab mir lange Rätsel auf, bis ich schließlich erkannte, dass es möglicherweise auf eine Inkompatibilität der Speicherformate zwischen Siemens-SPSen und Fuji-Touchscreens zurückzuführen ist. Es hat sich herausgestellt, dass die Analogwerte in den Trenddiagrammen von Fuji-Touchscreens üblicherweise Doppelwörter (4 Byte) sind. Beim Auslesen von der Siemens-SPS wird das erste Wort als High-Word und das zweite als Low-Word interpretiert. Siemens-SPSen speichern Analogwerte jedoch in umgekehrter Reihenfolge: zuerst Low-Word, dann High-Word. Das bedeutet, dass die vom Fuji-Touchscreen ausgelesenen Daten vertauschte High- und Low-Words aufweisen. Da Analogwerte im Allgemeinen klein sind, ist das High-Word immer null, was einer Multiplikation des Originalwerts mit 2 hoch 16 entspricht und den oberen Grenzwert für Analogwerte weit überschreitet. Um dieses Problem zu beheben, müssen die Daten von der SPS ausgelesen, die High- und Low-Words sequenziell vertauscht und anschließend die Kurvenadresse des Trenddiagramms auf die interne Adresse mit den korrigierten Daten gesetzt werden. Hierfür werden die Makrobefehle des UG00S-CW benötigt. Die Fuji UG00S-CW-Plattform bietet eine Vielzahl von Makrobefehlen, die sich in folgende Kategorien einteilen lassen: Bildschirmbezogen: OPEN-Makros werden beim Öffnen einer Schnittstelle ausgeführt, CLOSE-Makros beim Schließen und CYCLE-Makros laufen nach dem Öffnen einer Schnittstelle so lange, bis diese geschlossen wird. Tastenbezogen: ON-Makros werden beim Drücken einer Taste und OFF-Makros beim Loslassen einer Taste ausgeführt. Makromodus: Das Makro-Befehlssegment wird durch ein bestimmtes Bit gesteuert; die Ausführung beginnt, wenn dieses Bit auf 1 gesetzt ist, und endet, wenn es auf 0 gesetzt ist. Dieses Bit kann eine Adresse in der SPS oder eine interne Adresse des Touchscreens sein. Der Makrobefehlssatz der Fuji UG00S-CW ähnelt stark der Assemblersprache, bietet aber zusätzlich viele Systembefehlsfunktionen und Hilfsfunktionen, was die Programmentwicklung komfortabler und schneller macht. Das Speicherformat eines Touchscreens sind Wörter, und die Adresse wird durch $u dargestellt. Beispielsweise repräsentiert $u1000 das 1000. Wort und $u1000-14 das 14. Bit des 1000. Wortes. Auf einem Touchscreen gibt es keine Adressdarstellung für Bytes. Diese Lebensmittelproduktionslinie verfügt über mehrere PID-Regelkreise, die jeweils einem Trenddiagramm entsprechen. Der erste Regelkreis belegt beispielsweise Puffer 1 (maximal 12 Puffer verfügbar). Das Trenddiagramm besteht aus drei Kurven: PV, SP und OP. Die zugehörigen SPS-Adressen sind DB10:DBD0, DB10:DBD4 bzw. DB10:DBD8. Die angepassten Adressen werden als $u500~$u505 gespeichert. Der Programmabschnitt sieht wie folgt aus: /* Zuerst wird das analoge Signal in den Touchscreen eingelesen. Die Blockzuweisungs-Anweisung BMOV wird verwendet, um DB10:DBD0~DB10:DBD8 $u500~$u505 zuzuweisen. */ $u500=DB0010:0000 C:12 (BMOV) // Anschließend werden die oberen und unteren Wörter jeder Größe vertauscht: $u600=$u500 (W) $u500=$u501 (W) $u501=$u600 (W) $u602=$u502 (W) $u502=$u503 (W) $u503=$u602 (W) $u604=$u504 (W) $u500=$u505 (W) $u505=$u604 (W) Kopieren Sie dann dieses Programmsegment in das CYCLE-Makro jedes Bildschirms, setzen Sie die Anfangsadresse des Puffers auf $500, den Abtastmodus auf „Konstante Abtastung“ und die Anzahl der Stellen Sie die Anzahl der Kurven (d. h. die Wortanzahl) auf 3, die Speicherlänge auf 500 und die übrigen Werte auf die Standardwerte ein. Ändern Sie die Adressen der drei Kurven im Trenddiagramm auf $u500, $u502 und $u504, um sicherzustellen, dass die Daten auf dem Touchscreen und der SPS synchron aktualisiert werden. Laden Sie das Programm auf den Touchscreen. Nach einem Online-Test funktioniert alles einwandfrei. 3. Fazit: Fuji-Touchscreens und Siemens-SPSen sind sehr stabil und ermöglichen eine effiziente Softwareentwicklung. Ihre Kombination ist daher eine gute Wahl für industrielle Steuerungssysteme, da sie die Vorteile beider Systeme optimal nutzt. Da sie jedoch von verschiedenen Herstellern stammen, sind Kompatibilitätsprobleme unvermeidbar. Dies muss bei der Entwicklung industrieller Steuerungssysteme besonders beachtet werden. Hardware-Schwachstellen werden durch Software behoben – ein zeitloses Prinzip in der IT-Branche. Bevor Entwickler ihre Produkte perfektionieren, sollten wir unsere Systeme mit unserem eigenen Know-how verbessern. Referenzen: 1. Fuji Touchscreen-Benutzerhandbuch TYP: UGOOS-3WE 2, Siemens Benutzerhandbuch STEP7 V5.0 Programmierung. Autorenbiografien: Yang Hongkai: Doktorand im Bereich Regelungstechnik an der Beijing University of Chemical Technology. Li Hongguang: Dozent an der Beijing University of Chemical Technology, Forschungsschwerpunkt intelligente Regelungstechnik.