Der Automatisierer muss nicht mehr in abstrakten Größen und IT-Begriffen denken, sondern nur noch in Funktionalitäten des zu automati­sierenden Systems – so lautet die ­Vision des vom Bundesministerium für Wirtschaft und Energie (BMWi) geförderten Forschungsprojektes OPAK. Um diese Vision in die Realität ­umzusetzen, will das dahinterstehende ­Konsortium von Industriepartnern ­(siehe ­Kasten) eine offene Engineering-­Plattform für autonome mechatronische Automatisierungskomponenten in funktionsorientierter Architektur schaffen. Konkret wurden im Rahmen des Vorhabens drei Teilziele ­definiert:

■ Abstrakte Beschreibung von Automatisierungskomponenten, die dann mit einem geeigneten Engineering-Tool zur automatisierten Applikationserstellung verwendbar sind. Solche Komponenten kennen aufgrund ihrer Beschreibung sämtliche Anwendungsparameter, wie zum Beispiel verfügbare Schnittstellen, ihren Vorrat beziehungsweise den Bedarf an Ein- und Ausgängen sowie die Art der Anbindung an eine Steuerung.
■ Schaffung einer funktionsorientierten Maschinen- beziehungsweise Anlagenstruktur. Der Anwender kann also in Funktionseinheiten denken und diese projektieren, indem er deren verfügbare Fähigkeiten direkt kommandiert, ohne sich um die Bits und Bytes kümmern zu müssen. Basis hierfür sind dezentral gesteuerte, funktionale Komponenten mit inte­grierter Intelligenz oder zentral ausgeführte Software-Module, die diese Intelligenz kapseln.
■ Engineering mittels eines inte­grierten 3D-fähigen Software-Werkzeugs. Der Anwender soll ohne IT- oder Programmierkenntnisse die Applikation projektieren und in dem gleichen Werkzeug funktional überprüfen können.

Als Software-Basis für die Umsetzung der Teilziele dient im Projekt das IEC-61131-3-Programmiersystem Codesys. Es ist dafür geeignet, weil es einerseits als Entwicklungssystem in vielen Industriegeräten zum Einsatz kommt. Damit können viele Anwender aus unterschiedlichen Industriebereichen von den Ergebnissen des Forschungsprojekts profitieren. Andererseits bringt der Standard-Umfang des Tools bereits viele Voraussetzungen mit, um die Vision realisieren zu können. Optionale Zusatzkom­ponenten wie zum Beispiel ‚Soft-Motion‘ erweitern die Möglichkeiten, etwa zur Verwendung in integrierten Steuerungen für komplexe Bewegungsaufgaben.

Das Teilziel ‚integriertes 3D-Engineering’

Um – wie im Projekt angepeilt – aus einem IEC-61131-3-Tool ein 3D-fähiges Engineering-Werkzeug zu machen, sind zahlreiche Einzelschritte erforderlich. Ein wichtiger Step im Rahmen von OPAK ist die Spezifikation einer integrierten Zusatzkomponente: des Codesys Depictors. Mit diesem Tool lassen sich Maschinenabläufe optisch so darstellen, dass funktionale Abhängigkeiten räumlich erkannt und verstanden werden können, ohne die Entwicklungsoberfläche verlassen zu müssen. So ermöglicht das neue Zusatzmodul dem Anwender, Szenen des Maschinenablaufs zu beschreiben und optisch darzustellen.
Zur Verwendung des Depictors fügt der Anwender im Applikationsbaum zusätzlich zu den IEC-61131-3-Bausteinen ein neues ‚Scene‘-Objekt ein. Dieses  enthält die räumliche Darstellung einer Maschine oder eines Maschinenteils und besteht in sich aus einzelnen ‚Pose‘- und ‚Element‘-Objekten. Posen sind Beschreibungen von Raumposition und -orientierung, die von Maschinenzuständen abhängen und in der 3D-Visualisierung animiert werden. Damit eine Pose grafische Geometrien sichtbar machen kann, muss ihr der Anwender geometrische Objekte in Form von 3D-Elementen zuordnen. Dazu kann er räumlich konfigurierbare Standard-Elemente verwenden wie etwa Boxen, Zylinder oder Kugeln, und diese dann zu den gewünschten Einheiten zusammenstellen (Bild 1).

Bild 2. Konfiguration der Position eines Maschinenbauteils durch Parallelverschiebung und fest eingestellte Rotation innerhalb der Pose.

© 3S-Smart-Software

Idealerweise bekommt der Anwender jedoch komplexe 3D-Elemente aus dem CAD-Tool der Mechanik-Kon­struktion, zum Beispiel im Collada-Format oder anderen gängigen 3D-Objekt-Formaten. Solche komplexen Elemente lassen sich dann in den  ­Depictor einbinden und verwenden. Der Anwender kann daraus ohne zusätzliche Zeichenarbeit die optische Darstellung des Ablaufs gemäß den Konstruktionszeichnungen zusammenstellen. Komplexere Posen- und Elementkonstruktionen kann er in Depictor-Objekten als Template-Vorlagen zusammenfassen und sie damit leicht wiederverwenden.
Unabhängig von den Elementen mit ihren 3D-Geometrien erfolgt in den Posen die eigentliche 3D-Animation: jeder Pose lassen sich eine oder mehrere räumliche Transformationen mitgeben. Zur Auswahl stehen Parallelverschiebungen (Translationen), Rotationen und Skalierungen in allen Raumachsen. In diesen Transformationen werden einzelne Parameter (zum Beispiel Rotationswinkel) mit den entsprechenden IEC-61131-3-Variablen der Steuerungsapplikation verknüpft oder fest vorgegeben (Bild 2). Zur grafischen Anpassung können die Variablen direkt innerhalb der Transformation arithmetisch bearbeitet werden, das heißt mit Ausdrücken gemäß der IEC-61131-3-­Syntax für den strukturierten Text angepasst werden (Beispiel: [POU-Objekt].[Variablenname]*[Skalierung] + [Offset]).

Der Nutzen der 3D-Darstellung

Wie in Bild 3 ersichtlich, kann der Anwender mit Hilfe solcher Szenen den Maschinenablauf realistisch darstellen. Im Gegensatz zu separaten 3D-Visualisierungstools kann er dabei in derselben Oberfläche bleiben, in der er auch seine Steuerungsapplikation erstellt hat. Durch die direkte Verknüpfung mit dem IEC-61131-3-Programm zeigt ihm die 3D-Ansicht genau das an, was seine Applikation ausführt – und das bereits, bevor er auf der realen ­Maschine oder Anlage testet.

Bild 3. 3D-Visuali­sierung einer Fertigungsstraße innerhalb eines IEC-61131-3-Projekts.

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Zwar werden physikalische Zusammenhänge der Mechanik nicht simuliert und berücksichtigt (etwa Kolli­sionen); die Depictor-Darstellung ermöglicht aber dennoch eine Vorab­diagnose sehr ähnlich zu einer typischen 3D-Simulation. Die Integration in der gewohnten IEC-61131-3-Oberfläche versetzt also auch SPS-Programmierer ohne Erfahrung mit CAD-Tools in die Lage, Maschinenanimation zu erzeugen. Diese ­Animationen sind vielfältig verwendbar, zum Beispiel

■ zur Optimierung der Prozessabläufe der Maschine oder Anlage,
■ als Funktionsstudie,
■ als Besprechungsgrundlage für ein Projekt- oder Vertriebs-Meeting oder auch
■ zu Ausbildungszwecken oder zur ­Anwendungsschulung.

Zugegeben: Im Bereich der physikalischen Simulation können spezielle 3D-Simulationswerkzeuge sicherlich mehr leisten. Im Vergleich zum schnellen und einfachen Modellieren mit dem Depictor haben sie jedoch deutliche Nachteile:

■ Sie werden typischerweise nur von erfahrenen 3D-Designern beherrscht, nicht aber von Anwendern der Automatisierungstechnik.
■ Zur Simulation der Abläufe muss die Funktionalität der Maschine oder Anlage im

3D-Simulationstool nachimplementiert werden. Im Normalfall besteht keine Möglichkeit, die simulierte Funktion für die Verwendung in der Steuerung zu übertragen, oder  – umgekehrt  – die reale SPS-Funktion im Simu­lationstool zu verwenden.

Die Schritte zum 3D-Engineering

Mit dem Depictor sind bereits wertvolle Grundlagen geschaffen, um die Vi­sion des OPAK-Projekts in die prak­tische Anwendung zu bringen. Für echtes 3D-Engineering sollte die Entwicklung der Steuerungsapplikationen jedoch auf die Betrachtung der funk­tionalen Einheiten der Maschine re­duziert werden können.

Mit der optionalen Add-On-Komponente ‚Application Composer‘ verfügt das IEC-61131-3-System bereits über eine Zusatzfunktionalität zur Projektierung der Gesamtapplikation auf Basis von Funktionsmodulen. Darin stellt sich der Anwender aus diesen Modulen seine Steuerungsapplikation in einem funktionalen Baum zusammen. Die passenden Module für seine Applikation bekommt er entweder von den ­Herstellern der eingesetzten mecha­tronischen Automatisierungskomponenten oder er erzeugt sich solche Module direkt in Codesys  selbst. So kann er beispielsweise mehrere Komponenten zu einem einfach wiederverwendbaren Subsystem zusammenzufassen. Die Composer-Funktionalität ist damit ein wichtiger Bestandteil für die Erreichung der Teilziele des OPAK-Projekts.

Ein nächster Schritt für die ­Realisierung der eingangs genannten Vision wird sein, dass jedes Com­poser-Modul zusätzlich zu seiner funktio­nalen Beschreibung das passende 3D-Depictor-Modell mitbringt. So kann durch eine räumliche Zusammen­stel-lung der Module anhand dieser Mo­delle der gesamte Maschinen- oder ­An­lagenprozess funktional zusammengebaut werden. Weil jedes Modul dann nicht nur das optische Modell, ­sondern auch Funktion und Schnittstellen beinhaltet, entsteht somit durch grafische Konfiguration die ­vollständige Maschinenapplikation. Kurzum: Der Anwender muss ­keinen IEC-61131-3-Code mehr pro­gram­mieren – per Generator wird aus dem hin­terlegten IEC-61131-3-Code in den ­Modulen eine voll ablauffähige ­Applikation zusammen­gebaut, die er dann ­sofort auf die ­ausgewählte Steuerung über­tragen kann.

Von der Vision zur Realität

Auch wenn noch zahlreiche Schritte bis zur vollständigen Zielerreichung gegangen werden müssen, so hat sich doch gezeigt, dass die Vision grundsätzlich realisierbar ist. Der ­Depictor als 3D-Visualisierungs- und Simulationstool integriert in der IEC-61131-3-Entwicklungsumgebung ist einer der Schritte auf diesem Weg. Anwender können sich von dessen ­Praxistauglichkeit selbst ein Bild machen: Das Tool ist im Codesys Store verfügbar.

Bild 4.An diesem Demonstrator haben die Projektpartner des OPAK-Konsortiums auf der zurückliegenden Hannover Messe 2015 zu zeigen versucht, dass die Vision von der rein funktionalen Applikationserstellung in der Automatisierungstechnik umsetzbar ist.

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Ein weiterer Meilenstein des bis ­Oktober 2016 laufenden Forschungsprojekts ist der Nachweis der Projektziele anhand einer mechatronischen Stoppereinheit. Diese beinhaltet

■ eine integrierte IEC-61131-3-Steuerungseinheit als System-On-Chip mit Anbindung an Ethernet und ­CANopen,
■ Zylinder und Ventile als Aktoren,
■ Identifikationssensoren sowie
■ digitale Ein- und Ausgänge zur Anbindung von peripheren Einheiten.

Die exemplarische Implementierung und Anwendung der Einheit zeigt, dass deren Projektierung nunmehr ­ausschließlich funktional erfolgt (Bild 4) und nicht mehr durch manu­elle Programmierung.

Autor: Roland Wagner leitet das Produktmarketing bei 3S-Smart Software Solutions.

Die Projektpartner

Das OPAK-Konsortium (Offene Engineer­ing-Plattform für autonome, mechatronische AutomatisierungsKomponenten) setzt sich aus folgenden Partnern zusammen: Asys Automatisierungssysteme, Festo, Festo Didactic, Elrest Automationssysteme, Intracom, Fortiss GmbH, Institut für industrielle Informationstechnik der Hochschule Ostwestfalen-Lippe (inIT), 3S-Smart Software Solutions.