Messen, Steuern und Regeln mit ICONNECT: Komponentenbasierte Bild- und Signalverarbeitungsanwendungen visuell programmiert

812 Pages·2003·29.959 MB·German

by  Dr. Roland Mandl, Dr. Bernhard Sick (auth.)

Roland Mandl
Bernhard Siek
Messen, Steuern und Regeln
mit ICONNECT
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von Nikolaus Mohr und Gerhard P. Thomas mit ICONNECT
von Roland Mandl und Bernhard Sick
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Roland Mandl
Bernhard Siek
Messen, Steuern und Regeln
mit ICONNECT
Komponentenbasierte Bild- und
Signalverarbeitungsanwendungen
visuell programmiert
~
vleweg
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berechtigt auch ohne besondere Kennzeichnung nicht zu der Annahme, dass solche Namen im Sinne
von Warenzeichen- und Markenschutz-Gesetzgebung als frei zu betrachten wären und daher von
jedermann benutzt werden dürfen.
Höchste inhaltliche und technische Qualität unserer Produkte ist unser Ziel. Bei der Produktion und
Auslieferung unserer Bücher wollen wir die Umwelt schonen: Dieses Buch ist auf säurefreiem und
chlorfrei gebleichtem Papier gedruckt. Die Einschweißfolie besteht aus Polyäthylen und damit aus
organischen Grundstoffen, die weder bei der Herstellung noch bei der Verbrennung Schadstoffe
freisetzen.
1. Auflage Juni 2003
Alle Rechte vorbehalten
© Friedr. Vieweg & Sohn Verlag/GWV Fachverlage GmbH, Wiesbaden 2003
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Konzeption und Layout des Umschlags: Ulrike Weigel, www.CorporateDesignGroup.de
Umschlagbild: Nina Faber de.sign, Wiesbaden
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ISBN-13: 978-3-528-05812-8 e-ISBN-13: 978-3-322-87251-7
DOI: 10.1007/978-3-322-87251-7
3
Vorwort
ICONNECT stellt ein sehr vielseitiges Werkzeug zur Erzeugung von Applikationen im
Bereich Messen, Steuern und Regeln dar. Es besteht aus einer umfangreichen Bibliothek
von Modulen (Komponenten), die in einem grafischen Editor zu komplexeren Anwen
dungen kombiniert werden (visuelle Programmierung von so genannten Signalgraphen ).
In ICONNECT kann ein Signalgraph dann unmittelbar mit Hilfe einer Ablaufsteuerung
ausgeführt werden. Neben zahlreichen Modulen zur Steuerung, Verarbeitung und Aus
wertung von Signalen stehen auch verschiedenste Module zur Erzeugung von grafischen
Benutzerschnittstellen und verschiedenste Treiber zur Verfügung.
Die visuelle, komponentenbasierte Entwicklung von Bild- und Signalverarbeitungsan
wendungen hat in den vergangenen Jahren ständig an Bedeutung gewonnen. Wichtigster
Grund dafür ist, dass immer komplexere Anwendungen mit minimalem Kostenaufwand
und hoher Entwurfssicherheit möglichst schnell entwickelt werden müssen. In kaum ei
nem anderen Anwendungsgebiet hat das Konzept der visuellen Programmierung einen
vergleichbaren Erfolg. Auch Applikations-Ingenieure ohne spezifische Programmierkennt
nisse können auf grafischem Weg komplexe Anwendungen erstellen. Das Komponenten
Konzept trägt aufgrund der Möglichkeit zur einfachen Wiederverwendung erprobter Bau
steine erheblich zur Entwicklung sicherer Software und zur Kosteneinsparung bei. Insge
samt wird der Entwicklungsaufwand für Software (Zeit und Kosten) deutlich planbarer,
was Firmen einen entscheidenden Wettbewerbsvorteil gegenüber Konkurrenten ermög
licht.
Das vorliegende Buch wendet sich insbesondere an Informatiker, Ingenieure und Natur
wissenschaftler, die sich mit Bild- und Signalverarbeitungsanwendungen beschäftigen. Es
wird davon ausgegangen, dass der Leser Grundkenntnisse der Mathematik und der Pro
grammierung besitzt, wie sie etwa beim Vordiplom eines entsprechenden Studiengangs
erwartet werden. Das Buch ist so gegliedert, dass die einzelnen Kapitel thematisch auf
einander aufbauen und daher in der vorgegebenen Reihenfolge gelesen werden können.
Leser mit unterschiedlichem Interesse und unterschiedlichen Vorkenntnissen werden je
doch an einzelnen Aspekten des Themas mehr oder weniger interessiert sein. Die folgende
Tabelle soll daher dem Leser eine kleine Hilfestellung bei der Auswahl der zu lesenden
Kapitel geben:
I I
Lesergruppe, Kapitel
... mit Interesse an visueller, komponentenbasierter Pro 1, 2, (3), 12
grammierung im Allgemeinen bzw. im Bereich Messen,
Steuern und Regeln.
... ohne bestimmte Vorkenntnisse mit Interesse an dem Soft 1 - 5, (11), 13
warewerkzeug ICONNECT.
... mit grundlegendem Basiswissen (bereits ICONNECT (3), 4, 5, 10
Anwender) .
... die sich über Algorithmen im Bereich Messen, Steuern 6-8
und Regeln informieren möchte .
... die an der Einbettung von ICONNECT in technische 5, 9
(u.a.) Prozesse interessiert ist.
... die schnell etwas über mögliche Anwendungen von 11
ICONNECT wissen möchte .
... die als Erstes ICONNECT installieren möchte. 13
4
Dem Buch ist eine CD beigelegt, die ICONNECT in einer Version enthält, die entweder als
Demoversion oder - bei entsprechender Lizenzierung - als Vollversion ablauffähig ist. Bei
der Demoversion ist lediglich die Größe von Signalgraphen auf 50 Module beschränkt.
Dies ist für alle in diesem Buch besprochenen Beispiele (die ebenfalls auf der CD zu
finden sind) ausreichend. Durch das Ausprobieren und Modifizieren der weit über 100
Beispiele sowie durch die Entwicklung eigener Anwendungen kann der Leser seine mit
Hilfe des Buchs erworbenen Kenntnisse ausbauen und vertiefen.
Sowohl als Entwickler als auch als Anwender haben wir beide die Entstehung von
ICONNECT seit den ersten prototypischen Vorversionen begleitet. Interessant war dies
insbesondere auch aufgrund der unterschiedlichen, aber komplementären Sichtweisen:
Einerseits anwendungsorientiert als Entwicklungsleiter in der Industrie, andererseits for
schungsorientiert als Projektleiter und Lehrbeauftragter an einer Universität. Den schon
seit längerem gehegten Wunsch, das gemeinsame Wissen und die Erfahrungen aller Auto
ren in schriftlicher Form festzuhalten und so weiterzugeben, haben wir ab dem Frühjahr
2002 in die Tat umgesetzt.
Wir bedanken uns ganz besonders bei Herrn K. Wisspeintner, Geschäftsführer der Micro
Epsilon Messtechnik, Ortenburg, der das Zustandekommen des Buches ermöglicht hat.
Ganz besonders sollen an dieser Stelle unsere (Co-) Autoren erwähnt werden, die ihre
Kenntnisse und Erfahrungen in diesem Buch eingebracht haben (in alphabetischer Rei
henfolge): A. Bauhofer, O. Buchtala, H. Farr, Dr. E. Fuchs, Dr. T. Hanning, R. Hesse,
M. Heininger, A. Liebl, H. Meyerhofer, M. Ramsauer, J. Schwarzmüller, A. Sonntag,
Dr. A. Stübinger, M. Wimmer und U. Wittl. Die Autoren hatten Unterstützung 'IEXni
scher Art, beim Umgang mit CVS, bei der Umsetzung der Beispiele und beim Korrek
turlesen ihrer Beiträge von S. Bredl, J. Herr, M. Rank und C. Gruber. Herzlichen Dank
an alle für ihr Engagement!
Unser aufrichtiger Dank gilt auch dem Vieweg Verlag für sein Interesse an diesem Buch
und speziell Herrn Dr. R. Klockenbusch für seine Betreuung während der Entstehung.
Ortenburg und Passau, 29. April 2003 Dr. R. Mandl, Dr. B. Sick
Die Wiedergabe von Gebrauchsnamen, Handelsnamen, Warenbezeichnungen u.ä. in die
sem Buch berechtigt auch ohne spezielle Kennzeichnung nicht zu der Annahme, dass
diese Namen im Sinne der Gesetzgebung (Warenzeichen- und Markenschutz) als frei zu
betrachten wären und daher von jedermann benutzt werden dürfen. Wo sich dieses Werk
auf Richtlinien (z.B. ISO) bezieht, wird keine Gewähr für Richtigkeit, Vollständigkeit
oder Aktualität übernommen.
Inhaltsverzeichnis
1 Einführung...... . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 13
1.1 Online- und Offiine-Signalverarbeitung . 13
1.2 Embedded-(PC-)Systeme ..... . 15
1.3 Entwicklungswerkzeuge für Software . . 16
2 Grundlegende Prinzipien. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 21
2.1 Begriffe, Definitionen und allgemeine Konzepte 21
2.1.1 Eingebettete Systeme . . . . . . . . . . . . 21
2.1.2 Aufbau komplexer MSR-Algorithmen ... 22
2.1.3 Repräsentation komplexer MSR-Algorithmen durch Signalgraphen 24
2.1.4 Framework zur Entwicklung und Ausführung von Signalgraphen 26
2.1.5 Datenmodell ......................... 28
2.1.6 Typprüfung bei der Verbindung von Modulen. . . . . . . 32
2.1.7 Ausführung von Signalgraphen durch die Ablaufsteuerung 33
2.1.8 Trennung verschiedener Anwendergruppen . 37
2.2 Implementierung in ICONNECT . 38
2.2.1 Module .. . . . . . . . . 38
2.2.2 Modulkommunikation . . 42
2.2.3 Kommunikationsmedium . 42
2.2.4 Typprüfung . . . . . . . . 45
3 Erste Schritte im Umgang mit ICONNECT ..................................... 49
3.1 Der Editor von ICONNECT ..... . 49
3.1.1 Arbeiten im Signalgraphenfenster . 50
3.1.2 Das Fenster der Modulbibliothek . 58
3.1.3 Das Projektfenster ........ . 60
3.1.4 Eigenschaften eines Signalgraphen 61
3.1.5 Das Hilfefenster .......... . 64
3.1.6 Die Bedienung der Symbolleisten . 64
3.2 Weitergehende Bedienung von ICONNECT . 65
3.2.1 Makros .............. . 65
3.2.2 Der Debugger von ICONNECT .. 69
3.2.3 Rechte innerhalb von ICONNECT . 71
3.2.4 Eigenschaften von ICONNECT 72
3.2.5 Dateien und Vers ions informationen . 74
3.3 Durchlaufzeiten und Prioritäten von Signalgraphen . 75
6 Inhaltsverzeichnis
3.3.1 Zeitverhalten eines Signalgraphen . . . . . .. .. 75
3.3.2 Prioritäten von Signalgraphen . . . . . . . . . . . . . 77
3.3.3 Messen der Durchlaufzeiten und Modulrechenzeiten 78
3.3.4 Optimierung von Signalgraphlaufzeiten für verschiedene Anwen-
dungen ............. ...... 80
3.4 Gründe für Paketstaus und deren Vermeidung ....... 84
3.4.1 Hintereinanderschaltung zweier Quellen . . . . . . . . . 84
3.4.2 Zusammenführen mehrerer Datenströme auf ein Modul 86
3.4.3 Rückkopplungen von Datenverbindungen 87
3.5 Prioritäten von Makros . . . . . . 88
3.6 Die Modulbibliothek . . . . . . . . . . . . . 90
3.6.1 Aufrufen von Funktionsblöcken ..... 90
3.6.2 Datenquellen zum Einlesen oder Erzeugen von Parametern und
Messdaten. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 91
3.6.3 Laden von Messwerten aus einer Datei . . . . . . 94
3.6.4 Übertragung von Daten zwischen Anwendungen 95
3.6.5 Datenaustausch über Internet und Netzwerk 95
3.6.6 Steuerung des Datenflusses 96
3.6.7 Zeitfunktionen ..... 97
3.6.8 Logische Verknüpfungen . . 97
3.6.9 Verarbeitung der Daten . . 98
3.6.10 Skalierung von Messwerten 98
3.6.11 Mathematische Berechnungen und Skripting . 99
3.6.12 Algorithmen zur Signalverarbeitung 101
3.6.13 Signalanalyse ..... 103
3.7 Visualisierungsmöglichkeiten 103
3.7.1 Displays im Überblick 103
3.7.2 Beispiele.... ..... 105
3.7.3 Design eines Protokolls 105
3.7.4 Einfügen von Anzeigen in den DisplayManager 105
3.7.5 Erstellen eines Linearitätsprotokolls ...... 105
3.7.6 Anzeigeinstrumente ............... 108
3.7.7 Darstellung des Barometers oder Hygrometers 110
3.8 DialogEditor . . . . . . . . . . . . . . . . . 110
3.8.1 Erstellen grafischer Benutzeroberflächen 111
3.8.2 Bedienung des Moduls DialogEditor . . . 112
4 Weitergehende Programmiermöglichkeiten ...................................... 127
4.1 Formeleditor . . . . . . . . . . . . . . 128
4.2 C-Interpreter ............. . 133
4.2.1 Port 10 und Memory Mapped 10. 144
4.2.2 PCI-Karten Ansteuerung ..... 149
4.2.3 Kommunikation über die serielle Schnittstelle RS232c 151
4.2.4 Kommunikation über die IEC-Bus Schnittstelle 156
4.2.5 Kommunikation über den CAN-Bus ..... . 165
4.2.6 Kommunikation über die Profibus Schnittstelle 170
4.3 Perl ................ . 177
4.3.1 Der Funktionsumfang von Perl ........ . 177
Inhaltsverzeichnis 7
4.3.2 Reguläre Ausdrücke . . . . . . . . . 182
4.3.3 Vor definierte Ein-IAusgabeports . . 185
4.3.4 Der Datenaustausch mit ICONNECT 186
4.3.5 Modifikation von Perl-Skripten zur Laufzeit 189
4.3.6 Lesen und Schreiben von Dateien . 191
4.3.7 OLEI ActiveX .......... . 192
4.3.8 PPM, der Perl Package Manager 193
4.4 Visual Basic für Applikationen 194
4.4.1 Erstellen von VBA Skripten. 195
4.4.2 User Forms ......... . 200
4.4.3 ActiveX Controls ...... . 203
4.4.4 Kommunikation mit ActiveX 205
4.5 GAL ............... . 207
4.6 Statechart-Editor und Automatenmodul 210
4.6.1 Statecharts .... 211
4.6.2 Statechart-Editor. 222
4.6.3 Automatenmodul . 232
4.6.4 Beispiel . . . . . . 233
4.7 Programmierung eigener Module in C++IOOP . 234
4.7.1 Voraussetzungen 235
4.7.2 Grundlagen ..... . 235
4.7.3 DLL-Schnittstellen .. 235
4.7.4 Objekt-Schnittstellen. 236
4.7.5 Tipps und Tricks .. . 240
4.8 SQL ........... . 244
4.8.1 Erstellen einer Datenbank 244
4.8.2 Anbinden einer Datenbank 245
4.8.3 Allgemeines zu Datenbanken 246
4.8.4 Erstellen einer Datenbankabfrage 247
5 Einbettung in technische Prozesse .............................................. 251
5.1 Grundlagen der digitalen Verarbeitung analoger Signale 251
5.1.1 Analog-IDigitalumsetzung. . . . . . . . . . . 252
5.1.2 Fehlerquellen der A/D- und DIA-Wandlung. 255
5.1.3 Digital-I/O, synchron oder asynchron 256
5.2 DataGate . . . . . . . . . . . . . . . 256
5.3 PC-Messkarten für A/D-Umsetzung . . . 259
5.4 PC-Messkarten für DIA- Umsetzung . . . 264
5.5 PC-Messkarten für Digital-I/O und Counter. 265
5.6 PCI-Karte IF2004 für OptoNCDT-Sensoren und Inkrementalgeber 267
5.7 Steuerungen für Servo- und Schrittmotoren sowie Linearantriebe 271
5.8 Ethernet 272
5.9 RS232 . . . . 276
5.10 IEEE488-Bus 280
5.11 OPC . . . . . 283
5.11.1 Der Siemens SIMATIC NET OPC-Server 285
5.11.2 Programmierung des OPC-Scout 286
5.11.3 OPC-Anbindung in ICONNECT . . . . . . 287
8 Inhaltsverzeichnis
5.11.4 COM/DCOM-Konfiguration .......... 289
5.12 Installation von Komponenten der Firma Siemens 289
5.12.1 Einstellen der PC-Station . . . . . . . . . . . . 291
5.12.2 Erstellen eines Projektes mit dem Inbetriebnahmeassistenten 293
5.12.3 Der Projektierungsassistent . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 295
5.12.4 Step7 Hardwarekonfiguration mit SIMATIC NCM PC Konfig 298
5.12.5 Netzkonfiguration mit NetPro. . 302
5.12.6 Der Komponenten Konfigurator . 307
5.12.7 Die PG/PC-Schnittstelle. . . . . 307
6 Signalverarbeitung und Regelung .............................................. 309
6.1 Signaldarstellung im Zeitbereich . . . . . . . . . . . . . . 309
6.1.1 Periodische Signale. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 310
6.1.2 Einführung in die Mathematik der komplexen Zahlen 310
6.1.3 Das Sinussignal als Abwicklung eines rotierenden Zeigers. 313
6.1.4 Nichtperiodische Signale. . 314
6.2 Signalerzeugung .. . . . . . . . . 315
6.2.1 Erzeugen von Zufallszahlen . . 315
6.2.2 Erzeugen periodischer Signale. 318
6.2.3 Modulation periodischer Signale 319
6.2.4 Das Abtasttheorem von SHANNON 323
6.2.5 Der Signalgenerator von ICONNECT 325
6.3 Filterung von Signalen . . . 329
6.3.1 Filterung im Zeit bereich 329
6.3.2 Der Einheitspuls . . . . 330
6.3.3 Die Einheitsverzögerung 331
6.3.4 z-Transformation . . . . 331
6.3.5 Struktur eines FIR-Filters . 332
6.3.6 Die diskrete Faltung . . . . 332
6.3.7 Realisierung von FIR-Filtern 333
6.3.8 Filtertypen . . . . . . . . . . 334
6.4 Vorverarbeitung von Messdaten . 336
6.4.1 Interaktive Bearbeitung der Messdaten . 336
6.4.2 Signaltriggerung . . . . . 339
6.4.3 Ausschneiden von Daten . . . . . . . . . 341
6.5 Statistische Methoden . . . . . . . . . . . . 344
6.5.1 Lineare Regression zur Bestimmung der Schieflage 344
6.5.2 Berechnen der Ebenheit . . . . . . . 347
6.5.3 . Polynomiale Passung der Hohlform . 349
6.6 Funktionsapproximation . . . . 349
6.6.1 Lineare Ausgleichsrechnung 350
6.6.2 Resampling........ 352
6.6.3 Nichtlineare Optimierung . 353
6.6.4 Approximationsfilter . . . . 356
6.7 Signalverarbeitung im Frequenzbereich. 360
6.7.1 Die Fourier-Transformation . . . . . 361
6.7.2 Fourier-Transformation eines zeit kontinuierlichen Signals. 361
6.7.3 Die diskrete Fourier-Transformation . . . . . . . . . . . . 363