Integration von Infrarot-Thermometern & Wärmebildkameras in die Siemens SPS Umgebung

Die berührungslos messenden Temperatursensoren von Optris verfügen über ein modernes Schnittstellenkonzept, welches eine schnelle und einfache Integration in Netzwerke und automatisierte Systeme ermöglicht. Die folgende technische Notiz zeigt, wie Wärmebildkameras sowie IR-Thermometer über PROFIBUS DP direkt in eine SPS integriert werden.

PROFIBUS Funktionsweise

Der PROFIBUS hat sich in der Industrie weitgehend als eines der meist benutzten Bussysteme durchgesetzt. Bezüglich der Produktions-, Prozess- und Gebäude-Automatisierung stellt das Bussystem einen optimalen, sicheren und schnellen Kommunikationsaustausch zwischen einzelnen Busteilnehmern und Steuerungseinheiten her.

Der Aufbau des Profibusnetzwerkes ist dabei nahezu immer gleich. Auf der einen Seite befinden sich die Kontrolleinheiten, z.B. eine SIMATIC S7 von SIEMENS – auch als sogenannte Mastersysteme oder aktive Stationen bekannt. Auf der anderen Seite befinden sich die Busteilnehmer, die sogenannten Slaves – auch als passive Stationen bekannt. Dies können Sensoren, aber auch Aktoren sein.

Verbindung der optris PI Wärmebildkamera mit einem SPS-Mastersystem (SIEMENS S7) sowie Integration von Infrarot-Thermometern über PROFIBUS DP

PROFIBUS Varianten

Für verschiedene Anwendungsgebiete wurden verschiedene PROFIBUS Varianten entwickelt.

PROFIBUS DP

Die meistgenutzte Variante ist PROFIBUS DP, wobei DP für dezentrale Peripherie steht. Diese wird für den schnellen, zyklischen Datenaustausch mit den Feldkomponenten eingesetzt und dient der Steuerung von Sensoren und Aktoren vor allem in der Fertigungstechnik. Sie ist sehr zuverlässig und überzeugt sowohl durch kurze Reaktionszeiten, als auch einfache Handhabung.
Zu dieser Variante gehören auch die Schnittstellen der Optris Infrarot-Temperatursensoren und Infrarotkameras.

PROFIBUS PA

Der Zusatz PA steht für Prozess-Automation und wird insbesondere für Sicherheitsapplikationen, zum Beispiel in explosionsgefährdeten Bereichen eingesetzt. Dabei ist ein PROFIBUS PA-Segment stets ein Teil eines DP-Segments.

PROFIBUS FMS

Die Fieldbus Message Specification ist für die Kommunikation zwischen programmierbaren Controllern und Feldteilnehmern und wird häufig in sehr komplexen Maschinen und Anlagen genutzt.

Integration von Wärmebildkameras in eine SPS-Umgebung

Es gibt eine einfache Lösung, um eine optris PI Infrarotkamera in eine SPS-Umgebung einzubinden. Ein großer Vorteil des Mastersystems ist die Unterstützung von anderen Netzwerken, wie RS485. Dadurch wird der Aufbau des Messsystems über Distanzen von bis zu 3 km zwischen IR-Kamera und SPS ermöglicht, wie die obere Abbildung verdeutlicht.

Die optris PI Wärmebildkamera ist an einen PC angeschlossen, die Thermografie-Software PIX Connect analysiert die Temperaturdaten und stellt diese dar. Zur Geräteanbindung an die SPS muss zunächst die RS485-Verbindung über den Softwaremodus “Comport” eingestellt werden (Extras > Konfiguration > Externe Kommunikation; siehe Abbildung 2).

Configuration of imager software optris PIX Connect

Zur Verbindung des Rechner-Comports mit der SPS ist ein optris RS485-Kit verfügbar (Artikelnummer: ACCTRS485USBK, auswählbar im Produktkonfigurator der jeweiligen IR-Kamera). Mit der im Kit mitgelieferten Software ist es möglich, einen virtuellen Comport am PC einzurichten. Der virtuelle Comport verbindet dann die Software optris PIX Connect mit dem RS485-Modul. Das RS485-Modul leitet die Daten über ein A- und B-Kabel zur SIEMENS S7 SPS weiter. Abbildung 2 zeigt die Hardwarekonfiguration, basierend auf der RS485-Verbindung zwischen Wärmebildkamera und der SIEMENS S7 SPS. Benötigt werden:

optris PI 160 / optris PI 200 / optris PI 400 / 450 / optris PI 640
optris RS485-Kit (ACCTRS485USBK)
SIMATIC S7-300, CPU 313C-2 DP (Prozessor mit PROFIBUS-Modul)
SIMATIC S7-300, Frontmodul mit digitalen und analogen Ausgängen
SIMATIC S7-300, CP 340 (Kommunikationsprozessor mit RS422/485-Schnittstelle)
Software STEP 7 (SPS-Konfiguration hinsichtlich RS485- und PROFIBUS-Modul)

Steckbare, digitale Schnittstellenmodule für maximale Flexibilität

Einfach in die Elektronikbox zu installieren durch die Standard-Modulaufnahme

Integration von Infrarot-Thermometern in eine Siemens SPS-Umgebung

Optris stellt neben den bekannten Output-Signalen der Pyrometer (Spannungs-, Strom- oder Thermoelementausgang) zusätzliche Digitalschnittstellen bei allen Infrarot-Thermometern mit Elektronikbox zur Verfügung. Hierzu befindet sich in jeder Elektronikauswerteeinheit ein freier Steckplatz, in den eine digitale Schnittstellenkarte, wie die PROFIBUS DP Schnittstelle, eingesetzt werden kann.

Die Installation ist einfach. Zu jedem Feldbusteilnehmer gehört immer eine sogenannte GSD-Datei (ein Generic Station Description File), die von der SPS eingelesen wird, damit Master und Slave miteinander kommunizieren können. Auch für die Profibusschnittstelle von Optris wird eine GSD-Datei auf der PROFIBUS-CD mitgeliefert. Die Datei enthält alle wichtigen Informationen, zum Beispiel die Parameter zum Abfragen der Objekttemperatur oder zum Setzen eines Emissionsgrades.

Abschließend muss die entsprechende Busteilnehmer-Adresse an der Elektronikbox eingestellt werden, damit der stationäre optris Infrarot-Temperatursensor mit dem Master-System kommunizieren kann.

Nachdem die GSD-Datei in die SPS eingelesen und die Teilnehmer-Adresse an der Elektronikbox eingegeben wurde, sollte die grüne LED auf der PROFIBUS-Karte leuchten. Sie zeigt, dass die SPS und der Temperatursensor betriebsbereit sind. Sie haben nun die Möglichkeit die Objekttemperatur und die messkopfinterne Temperatur über die SPS abzufragen.

Der Telegramm-Modus

Sofern Sie neben der Objekt- und messkopfinternen Temperatur weitere Parameter abfragen möchten, wird der Telegramm-Modus benötigt, der ebenfalls als Modul in die SPS-Umgebung importiert werden kann.

Hiermit sind Sie beispielsweise in der Lage Änderungen am Transmissions- oder Emissionsgrad vorzunehmen, Alarmwerte einzurichten oder abzufragen uvm.

Senden von Telegrammen

Das Prinzip des Sendens und Empfangens von Telegrammen ist immer gleich und soll im Folgenden erläutert werden.

Zuerst werden zehn Bytes an den Sensor gesendet. Das Senden beginnt immer mit dem sogenannten Handshake-Befehl als erstes Byte. Dieses muss nach jedem abgeschlossenen Sende- und Empfang-Vorgang eine neue Adresse erhalten.

Das zweite Byte enthält den PROFIBUS Befehl 47, der den Temperatursensor mitteilt, dass nun ein Kommando gesendet wird.

Das dritte Byte beinhaltet das eigentliche Kommando mit der Angabe, welche Einstellung am Sensor geändert oder welche Information abgefragt werden soll. Hier finden Sie die Kommandolisten für optris CT-Sensoren. Diese beinhalten alle möglichen Befehle, die an den Sensor gesendet werden können.

Mit den nächsten Bytes werden die Einstellungsparameter übergeben, die am Sensor geändert werden sollen. Diese können bis zu vier Bytes umfassen. Wird nicht nur ein Wert vom Sensor abgefragt, sondern auch eine Einstellung vorgenommen, muss danach noch eine XOR Checksumme aus dem dritten und vierten Byte mitübertragen werden.

Anschließend müssen nur noch eventuell fehlende Bytes bis zur Gesamtsumme von zehn mit Nullen, den sogenannten leeren Bytes, aufgefüllt werden. Ist das erledigt, ist der Befehl zum Versand bereit.

Empfangen von Telegrammen

Hat der Sensor den Befehl empfangen, antwortet er mit insgesamt 23 Bytes.

Das erste Byte gibt dabei den Handshake Befehl zurück, der zum Sensor gesendet wurde.

Daraufhin folgt ein Byte mit dem Wert 15, das uns bestätigt, dass das Telegramm empfangen wurde.

Das dritte Byte ist das Antwort-Byte vom Temperatursensor und ist in jedem Fall der Wert 67.

Danach folgen im Falle einer Abfrage die Parameter des Sensors oder, falls neue Einstellungen vorgenommen wurden, die Werte der Änderung. Alle bis dahin noch übrigen Bytes bis zur festgelegten Summe von 23 werden auch hier wieder mit leeren Bytes, also mit Nullen, aufgefüllt.

Beispiel: Einstellung eines neuen Emissionsgrads am IR-Thermometer mit dem Telegramm-Modus

Im Folgenden soll ein konkretes Beispiel den Telegramm-Modus veranschaulichen. Hierfür möchten wir den Emissionsgrad auf den Wert 0,95 setzen.

Senden des Befehls:

Handshake-Byte: 02
PROFIBUS Befehl: 47
CT-Kommando für Emissionsgradänderungen: 84
Setzen der Parameter: 03 B6 (0,95 x 1.000 = 950; Ergebnis als Hexadezimal-Wert = 03B6)
Checksumme (XOR), gebildet aus dem dritten und vierten Byte: 31 (84 XOR 03 XOR B6)
Leere Bytes: 00 00 00 00

Antwort des Sensors: