Ein neuer Ansatz der Kombination aus Simulation, graphischen Programmiermöglichkeiten und Echtzeitumgebung befähigt Entwickler verschiedener Fachrichtungen zum schnellen und kostengünstigen Prototyping technischer Regelsysteme, ohne der Notwendigkeit manueller Programmierung. 


 Der Entwicklungszyklus technischer Geräte lässt sich allgemein und vereinfacht in folgende Schritte einteilen: Entwurf und Simulation des Gesamtsystems, Echtzeitcodeentwicklung mit Einbindung von I/O-Hardware und Erstellung einer Visualisierung als Mensch-Maschine-Schnittstelle.


Traditionell stand der Entwickler derartiger Systeme vor der Fragestellung der Beschaffung integrierter Tool-Sammlungen oder aufwendiger manueller Programmierung. Beide Ansätze bieten gewisse Vorteile, beispielsweise kann eine spezifische Problemstellung mittels einer dedizierten Softwareentwicklung äußerst zielgerichtet programmiertechnisch implementiert werden. Andererseits ist eine derartige Vorgehensweise mit äußerst hohen Kosten verbunden. Typische, auf dem Markt befindliche, Toolsammlungen für das Thema Echtzeitcodegenerierung und Simulation haben ihrerseits auch einen sehr hohen Preis und schießen häufig übers Ziel hinaus.


Einen neuartigen Lösungsansatz für die Umsetzung derartiger Problemstellungen haben kürzlich die Reglerspezialisten der Firma Syscon aus Wangen vorgestellt. Dort wurde eine Prototyping-Umgebung mit dem Namen S/1 entwickelt und bereits zahlreich in Projekten eingesetzt. Neu ist nun die Kombination mit LabVIEW aus dem Hause National Instruments.


Die Entwicklungsumgebung LabVIEW ist bereits seit vielen Jahren erfolgreich im Bereich Mess- und Automatisierungstechnik anzutreffen und zeichnet sich durch eine hervorragende Integration nahezu aller gängiger Hardwareschnittstellen aus. Die eigentliche Stärke von LabVIEW liegt jedoch in dessen grafischem Programmierparadigma, durch das auch ungeübte Anwender komplexe Programme erstellen können.


Das bei Syscon erarbeitete Prüfstandskonzept sieht die Modellierung der eigentlichen Kernapplikation, nämlich dem zugrundeliegenden Reglermodell, mittels S/1 vor und nutzt dann LabVIEW zur Einbettung des mit S/1 erzeugten Echtzeit-Codes. Dabei übernimmt LabVIEW die Aufgabe der Visualisierung und der Benutzerschnittstelle für den Prüfstandsrechner.


Diese Vorgehensweise unterstreicht eindrucksvoll die Offenheit von LabVIEW und die sich daraus ergebenen Möglichkeiten mit auf dem Markt befindlichen Werkzeugen aus dem Bereich der Simulation hervorragend zusammenarbeiten zu können. Bestimmte Aufgabenstellungen der Regelungstechnik ließen sich zwar prinzipiell auch direkt in LabVIEW lösen, Regelungstechniker finden aber in der grafischen Notation von LabVIEW nicht exakt deren gewohnte Symbolik wieder. Ein Ausweg aus diesem Dilemma ist hier die S/1-Umgebung, mit Blockschaltbildsimulation und Quellcodegenerierung für unterschiedliche Echtzeit-Targets. Anhand eines realisierten Projektes soll im folgenden Beitrag dieses Zusammenspiel aufgezeigt werden.


Beispielanwendung: Prüfstand für Kraftmessdosen


Ein kürzlich realisiertes Projekt sah die Qualitätsprüfung von Kraftmessdosen vor. Dabei mussten Kraftmessachsen an einem Hydraulikprüfstand mit verschiedenen Kräften bis hin zu ihrer Nennkraft belastet werden. Die Aufgabe war es, eine Bedienoberfläche und ein Regelungssystem zur Automatisierung der Messzyklen zu entwickeln. Die Oberfläche zur Bedienung der Anlage wurde mit LabVIEW realisiert, wobei das Einstellen der Sollkräfte, sowie das Verfahren des Zylinderkolbens mit Hilfe einer Regelung über ein Proportionalventil erfolgte.


Im einzelnen umfasst die Regleraufgabe das Halten der Ist-Position des Kolbens, wenn kein Prüfling eingespannt ist (Positionsregelung), das Verfahren des Kolbens mit verschiedenen Geschwindigkeiten sowie die Einstellung der angegebenen Sollkraft ohne Überschwinger (Kraftregelung). Die Stellgröße des Reglers ist die Ventilöffnung des Proportionalventils; die Regelgrößen sind die Kolbenposition sowie die Kraftausübung auf die Kraftmessachse.


Während der Entwicklungsphase wurde als Prototyping-Architektur eine Lösung mit zwei Rechnern gewählt, in der auf einem Host-PC die Schritte Simulation, Codegeneration und Visualisierung des Echtzeitprozesses erfolgen. Auf einem Target-PC erfolgt die Ausführung des Echtzeitcodes. Die Modellierung des Hydraulikprüfstands und der Entwurf des Reglers erfolgte mit dem Simulator S/1 auf dem Host.


Um das entwickelte Regelungssystem in Verbindung mit der Bedienoberfläche testen zu können, ohne daß der reale Kraftprüfstand vorhanden sein musste, wurde aus dem gesamten Modell (Modell und Regelstrecke des Kraftprüfstands in der Simulation) mit Hilfe des Code-Generators von S/1 C-Code erzeugt. Der compilierte Code wurde schließlich auf den Target-PC heruntergeladen. Als Betriebssystem wurde in diesem Fall RT-Linux auf einem Standard-PC verwendet, wobei in diesem Zusammenhang bereits darauf hingewiesen werden soll, dass alternativ dazu auch die PXI-Plattform mit LabVIEW-RT verwendet werden kann.


Anstelle des realen Kraftprüfstandes reagierte das Prüfstandsmodell auf das vom Reglermodul ausgegebene Stellsignal und lieferte alle benötigen Sensorsignale wie z.B. Kolbenposition und Istkraft (vgl. Abbildung 3: Entwicklung am Prototyping-System).


Am endgültigen Prüfstand wurde schlussendlich eine Konfiguration mit nur noch einem PC gewählt, auf dem sämtliche Funktionen des Gesamtsystems (Simulation, Code-Generierung und Visualisierung) ausgeführt werden. Zur Übertragung auf dieses System wurde nach Abschluß der Tests der entwickelte Reglerblock im Simulationsmodell mit den Treiberblöcken für die vorhandene Datenerfassungshardware von National Instruments verbunden. Aus diesem System wurde wieder mit dem Code-Generator von S/1 C-Code für das Reglermodul erzeugt, dieser compiliert und auf das Zielsystem geladen. Anschließend brauchte nur noch die Benutzeroberfläche von LabVIEW für Windows auf LabVIEW für Linux übertragen zu werden. Dabei erwies sich die Plattformneutralität von LabVIEW als ein unschlagbarer Vorteil.


Die mit LabVIEW erstellte Applikation hat direkten Zugriff auf alle Daten des Zielsystems. Damit können die Daten des laufenden Systems über die Bedienoberfläche verändert und Signale angezeigt werden. 


 Die skalierbare Architektur des Syscon-Codeframe erlaubt dem Benutzer, das System wahlweise unter RT-Linux auszuführen oder als Target-Plattform PXI unter Verwendung von LabVIEW-RT zu nutzen. Im ersten Fall können sämtliche I/O-Hardware Produkte eingebunden werden, die im Rahmen des Open-Source Projektes Comedi berücksichtigt sind [3]. Hardware von National Instruments wird dort auf breiter Ebene unterstützt. Die Nutzung der Zielplattform PXI ist besonders dann sinnvoll, wenn einerseits erhöhte Anforderungen hinsichtlich Robustheit und eine sehr hohe Integrationsdichte vieler verschiedener Schnittstellenkarten gefordert sind. Interessant dabei ist auch, dass unter der Softwareplattform LabVIEW-RT neben Datenerfassung auch Dinge wie Achsregelung von Stepper- oder Servomotoren mittels Motion-Control-Karten oder Bildverarbeitungsaufgaben und zeitkorrelierte Integration des CAN-Busses unter harten Echtzeitbedingungen integrieren lassen.


Zusammenfassung


Durch eine homogene Kombination von S/1 und LabVIEW können Automatisierungssysteme äußerst effektiv entwickelt werden. Dies führt zu einer enormen Zeit- und Kostenersparnis während Auslegung, Implementation und Inbetriebnahme eines Projektes, ohne dass kostspielige Tool-Sammlungen aus dem Bereich der Simulation angeschafft werden müssen. Zur Anbindung an die reale Welt steht eine sehr große Vielfalt an Standard-Hardware zur Verfügung.