Alle am Markt bislang vorgestellten Konzepte, die eine Komponenten- Orientierung für sich beanspruchten, hatten auch immer einen direkten Bezug zur Hardware. Selbst wenn diese Lösungen - wie zum Beispiel im Fall von CBA (Component Based Automation) - den komponentenbasierten Ansatz bereits im Namen tragen, sollen sie primär eine übersichtlichere Vernetzung von zwei oder mehreren Hardware-Geräten beziehungsweise speicherprogrammierbaren Steuerungen ermöglichen.

Um Daten zwischen zwei Steuerungen auszutauschen, sind dabei jedoch die Kommunikationskanäle und der Datenaustausch nach wie vor auf klassische Art explizit zu programmieren. Zudem müssen die verwendeten Datenstrukturen und -inhalte immer auf beiden Seiten bekannt sein, um Verwechslungen und fehlerhafte Interpretation auszuschließen. Was die Entwicklung entsprechender Lösungen nicht einfacher macht, ist die Frage, wie sich die Optimierungswünsche eines Anwenders in ein Regelwerk gießen lassen. Denn diese sind so vielfältig wie die Automatisierungsprojekte selbst: Optimierungen der Hardware, der Netzlast, der Verfügbarkeit oder der Reaktionszeit.

Ein möglichst hoher Grad der Standardisierung lässt sich nur dann erreichen, wenn ein entsprechendes Steuerungssystem weitgehend unabhängig von seiner Hardware betrachtet werden kann. Wenn es keine Hardware- Grenzen, interne Grenzen oder andere systembedingte Limitierungen zu beachten gilt, kann der Anwender seinen einmal erarbeiteten Standard für seine nächsten Projekte identisch erneut verwenden. Die Skalierung der Hardware und der Grad der Vernetzung mögen sich zwar von Projekt zu Projekt ändern - die steuerungstechnischen Komponenten bleiben jedoch genauso erhalten wie die automatisierungstechnischen Geräte selbst: Hard- und Software können so immer identisch wieder verwendet werden.

Daten der Teilbereiche in einem Pool

Dieser Idealvorstellung von der Standardisierung von Steuerungsfunktionen will das Unternehmen Pilz mit dem neuen Automatisierungssystem PSS-4000 deutlich näher kommen. Komponenten und Software-Tools der unterschiedlichen Bereiche Standard und Sicherheit bei Steuerungs-, Motion-Control- und Visualisierungsaufgaben sind hierbei miteinander verzahnt und werden, um ein einheitliches Handling zu ermöglichen, von einer gemeinsamen Software-Plattform - der Pilz Automation Suite (PAS4000) - verwaltet.

Das heißt: Statt wie bislang Hardwarefunktionen nur mittels einzelner Tools für den Anwender nutzbar zu machen, werden die Daten aller Teilbereiche (Aspekte) eines Automatisierungsprojektes in einem gemeinsamen Datenpool gehalten. Verbindendes Element zwischen den unterschiedlichen Geräten ist das ethernetbasierende Kommunikationssystem Safetynet p, das den vollen Datenzugriff von jeder Steuerungskomponente eines verteilten Systems ermöglicht.

Die Trennung von Hard- und Software

Zu Beginn der Projektierung einer Steuerungslösung besteht zunächst keinerlei Bezug zur Hardware. Der Anwender kann sich somit seiner reinen Aufgabenstellung widmen, ohne dass er die Grenzen verschiedener Hardware-Leistungsklassen ständig mit berücksichtigen muss. Ein Projekt für eine einzelne Steuerungshardware ist genauso einfach aufzubauen wie ein Projekt, das später auf mehreren Steuerungen verteilt abgearbeitet werden soll.

Der Anwender legt die Programmverteilung auf die zugehörigen Steuerungskomponenten einfach per „Drag and Drop" fest. Die Erstellung der Kommunikationsbeziehungen für den Datenaustausch und den Datenzugriff über Safetynet p nimmt das System automatisch im Hintergrund vor. Änderungen und Optimierungen können zu jedem beliebigen Zeitpunkt im Programmcode oder in der Verteilung von Programmteilen erfolgen, ohne dass das Projekt grundlegend zu verändern ist.

Mit der Software-Plattform wurde eine komplett symbolische Bezeichnung aller Variablen, Elemente zur Programmstrukturierung und der Hardware-Geräte selbst eingeführt. Damit ist dem Anwender erstmals eine gleichartige, einfache Sichtweise auf alle seine Automatisierungsaufgaben möglich. Ein symbolischer, selbsterklärender Name anstelle der eher kryptischen Bezeichnungen von Variablen, Operanden und Geräten hilft auch bei späteren Service-Einsätzen, die Orientierung im Steuerungssystem zu behalten. Hinzu kommt die durchgängige Komponenten- Orientierung, mit der sich bereits erstellte Steuerungsfunktionen einfach auf neue Aufgabenstellungen übertragen lassen.

Eine Komponente hat den Anspruch, dass sie alle automatisierungstechnischen Aufgabenstellungen in sich vereint und alle Aspekte auf Abruf bereitstellen kann. So lassen sich Mehrfacheingaben reduzieren, Fehlerquellen beseitigen und dadurch schließlich der gesamte Engineeringprozess deutlich vereinfachen. Stehen alle benötigten Komponenten in einer Bibliothek zur Verfügung, so liefert das Ergebnis der Programmieraufgabe auch das Ergebnis für die Sicherheitstechnik, für die Diagnose und für die Visualisierung mit.

Informationen nach Bedarf sichtbar

Eine steuerungstechnische Komponente besitzt immer mehrere Aspekte, unter denen der Anwender wählen kann. Beispielsweise kann bei einem Zylinder mit Stellventilen unter anderem zwischen einem Zweiwege-Ventil, einem Dreiwege- Ventil oder einem Ventil mit oder ohne Federrückstellung unterschieden werden. Die Komponente bleibt dabei jedoch immer in ihrer jeweils einfachsten Form für den Anwender sichtbar.

Schematische Darstellung des PSS400 und das Prinzip der Komponentenorientierung

Der Programmiervorgang selbst lässt sich so auf die funktionsmäßige Verschaltung von Komponenten reduzieren. Die zusätzlich hinterlegten Informationen werden immer nur dann sichtbar, wenn sie auch wirklich benötigt werden. Zudem ist zu jedem Zeitpunkt möglich, aus bestehenden Komponenten neue Komponenten mit veränderten Eigenschaften zu erzeugen. Ist der Vorrat an Komponenten in der Bibliothek ausreichend, würde eine umfassende und damit komplexere Sichtweise den Anwender nur stören.

Von der Teilfunktion zur kompletten Maschine

Stehen genügend Automatisierungskomponenten zur Verfügung, kann der Anwender aus einfachen Objekten - etwa einem Zylinder - eine Teilfunktion zusammenstellen. Aus mehreren Teilfunktionen können Maschinenteile entstehen, aus mehreren Maschinenteilen die gesamte Maschine oder Anlage. Die gemeinsame und identische Sichtweise auf die zu lösende Aufgabenstellung bleibt dabei stets erhalten.

Sind Maschinen mit Blick auf die Mechanik modular aufgebaut, kann dieselbe Standardisierungsgrenze in Form von mechatronischen Modulen damit auch für die Hardware und die Software des Automatisierungsmoduls gelten. Über diesen mechatronischen Ansatz, der die Bereiche Mechanik, Elektrotechnik und Software zusammenbringt, können die Fachleute der jeweiligen Bereiche an der gemeinsamen Aufgabenstellung weitgehend parallel und unabhängig arbeiten. Die Phasen gegenseitiger Abhängigkeit werden reduziert und Projekte lassen sich effizienter abwickeln.

Eine weitere Möglichkeit der Kosteneinsparung ergibt sich, wenn eine Maschinenoption unabhängig von der Hardware erstellt werden kann. Im Fall von PSS4000 ist lediglich bei der erforderlichen Zuordnung der Steuerungsfunktionen zur Hardware (Mapping) einmalig eine systemweite Hardware-Betrachtung erforderlich.

Neue Freiheitsgrade in der Vorgehensweise

Die eher klassische programmiertechnische Vorgehensweise entspricht dem „Bottom-up"-Prinzip: Durch die Ansammlung und Kombination vieler Einzel- und Teilfunktionen ergibt sich die Lösung der Gesamtaufgabe. Die Softwareplattform, die dem neuen Automatisierungssystem von Pilz zugrunde liegt, geht hier einen Schritt weiter: Sie bietet dem Anwender mit dem PASmulti-Editor zusätzlich die Möglichkeit, die Vorgehensweise umzukehren und die Abfolge von „grob" nach „fein" vorzunehmen.

Das heißt: Die Komplettlösung wird anfangs nur grob strukturiert und im Laufe der Projektarbeit immer weiter in Maschinenteilfunktionen zerlegt. Dieser Prozess ist solange durchzuführen, bis man bei der kleinsten automatisierungstechnischen Komponente angelangt ist.

Werden einmal erzeugte Module in einer späteren Ausbaustufe oder als Maschinenoption mehrfach benötigt, ist durch einfaches Duplizieren der Automatisierungskomponente sowohl in der Hard- als auch der Software sehr schnell ein Mehrfachnutzen erzeugbar. Bei diesem „Top-Down"-Engineeringprozess kommt dem Anwender die Hardware-unabhängige Vorgehensweise entgegen, da die Definition von Funktionseinheiten nicht von einem „Hardware-Korsett" eingeschnürt wird.

Der Maschinenbauer in der Rolle des „Komponisten“

Bei weniger komplexen Maschinen, deren Funktionen überschaubar sind, lässt sich durch die Verwendung von vorgefertigten Bausteinen die gesamte Automatisierungslösung mittels eines grafischen Editors einfach und schnell erstellen. Auch komplexere Applikationen sind damit zunächst anschaulich strukturierbar und können in einzelnen Teilen in den Sprachen nach IEC 61131-3 programmiert werden. Diese selbst geschriebenen Funktionen lassen sich danach wiederum auf einfache Weise parametrieren und verbinden.

Programmieren und Konfigurieren werden so quasi zusammengeführt und Bausteine sozusagen „komponiert". Heute gilt es für solche „gewachsenen" Baustein-Bibliotheken entweder eine große Zahl ähnlicher Bausteine mit wenigen Parametern zu verwalten oder wenige Bausteine mit einer unübersichtlichen Vielzahl an Parametern zu versehen. Die Bibliothek der Automation Suite von Pilz bietet für dieses Problem eine Lösung, indem sie es ermöglicht, stets gleich bleibende Grundfunktionen in Form der Übergabeparameter oder -daten an den Baustein zu bringen. Die funktionalen Optionen sind in Form so genannter „Properties" (Eigenschaften) abbildbar.

Darstellung mechatronischer Ansatz und Programmierung PSS400

Dadurch lässt sich eine Aufgabenstellung in einfache und gleich bleibend wieder verwendbare Teile und Geräte- oder funktionsspezifische Teile aufgliedern. Der Anwender ist hierbei nicht auf vordefinierte Sichten festgelegt, sondern kann diese individuell anpassen und auch für selbst geschriebene Funktionen und Komponenten identisch erneut verwenden. Eine Automatisierungskomponente beinhaltet immer mehrere Aspekte der Automatisierungstechnik, wie etwa Standard, Sicherheit, Motion, Diagnose und Visualisierung. In der Gesamtdarstellung einer Automatisierungslösung ergibt sich dadurch ein sehr komplexes Gebilde mit einer Vielzahl an Beziehungen zwischen den beteiligten Komponenten. Durch intelligente Filterung der Projektinformationen in der Automation Suite bleibt der Überblick zu jeder Zeit erhalten. Befindet sich beispielsweise der Diagnose- Aspekt eines Projektes in Bearbeitung, so werden lediglich die für die Diagnose erforderlichen Beziehungen und Signalflüsse der Komponenten dargestellt.

Der Darstellungswechsel geschieht in einfacher Form durch Aktivierung/Deaktivierung der entsprechenden Ansichtsoptionen. Zusammenfassend lässt sich festhalten: Die konsequente Modularisierung in Hard- und Software auf der Basis der ethernetbasierten Kommunikation schafft die Grundlage für eine einfache Dezentralisierung und Verteilung der Automatisierungsaufgaben, wobei der Anwender jederzeit den aufgabenorientierten, zentralen Blick auf ein verteiltes, auch komplexes System behält.

Autor: Armin Glaser ist Leiter Produktmanagement bei Pilz, Ostfildern.