Die Vielschichtigkeit beginnt bereits bei den Schaltschrankzeichnungen, die sich mittlerweile als ganze Bücher darstellen beziehungsweise die Komplexität einer Raumfahrtstation erreicht haben. Hier noch eine ungeplante Erweiterung und dort eine mögliche Option, die sich der ein oder andere Endkunde wünschen könnte. Kurzum: Modularität ist schon beim Schaltschrankbau das Zauberwort, das sich durch das komplette Maschinen- und Anlagenkonzept zieht. Mit anderen Worten: Maschinen werden in standardisierte, autonome Funktionsmodule zerlegt, die sich dann individuell und anwenderspezifisch zusammenstellen lassen.

In der Automatisierungstechnik geht der Trend daher aktuell zu dezentralen Intelligenzen in Kombination mit „smarten“ Usability-Konzepten, die für eine einfache Handhabung und Bedienung sorgen. Smart Phones beispielsweise haben mindestens ebenso viel Rechenleistung wie ein IPC, besitzen aber keine Lüfter und haben keinen Platz für interne Erweiterungen. Benötigt man etwas, wird die Erweiterung einfach an eine Standard-Schnittstelle angeschlossen. In Analogie dazu sind kleine, verteilte Intelligenzen gleichermaßen ein smarter Ansatz, um Maschinensteuerungen fle­xibler zu gestalten. Die Maschine wird in logische Einheiten unterteilt und dort, wo es sinnvoll ist, setzt man „vor Ort“ kleine Recheneinheiten mit so wenig Verlustleistung wie möglich inklusive der dazugehörigen I/Os ein.

Auf diese Weise wird der Schaltplan wieder überschaubar und die Pflege der Software gestaltet sich wesentlich einfacher. Auch auf Änderungen oder Sonderwünsche kann der Maschinenhersteller schneller reagieren.

Verlustleistung – ein entscheidender Faktor

Die neue Kompakt-CPU-Generation von Sigmatek basiert auf einem 800-MHz-Edge2-Technology-Prozessor samt tauschbarer MicroSD-Karte, nullspannungs­sicherem RAM, DDR3 Arbeitsspeicher mit 256 MByte sowie einer Echtzeituhr.

© Sigmatek

Für eine effiziente Unterteilung der Maschine oder Anlage in funktionale Einheiten sind entsprechend kleine, kompakte I/O-Systeme erforderlich, die vor Ort einsetzbar sind. Dazu CPUs im Miniformat, die genug Rechenleistung und Speicher bieten und Safety als integralen Bestandteil des Systemansatzes beinhalten. Die Verslustleistung des Systems und der CPU sind dabei wichtige Faktoren, da man ansonsten wieder vor einem komplexen Schaltschrank steht und nicht vor einer kompakten Box, die sich in die Maschine beziehungsweise Peripherie integrieren lässt.

Dem Rechnung tragend hat Sigmatek passend zur neuen, im letzten Jahr erstmals auf der SPS IPC Drives vorgestellten superkompakten I/O-Generation S-Dias nun die CPU im Pocket-Format entwickelt: 25 mm breit, 103,5 mm hoch und 72 mm tief. Das so genannte CPU-Hutschienenmodul CP 111 mit Edge2-Technology weist eine Verlustleistung von nur 2 W bei einer Taktfrequenz von 800 MHz auf. Für die Verbindung in die Außenwelt stehen eine USB-Device, eine Ethernet- und zwei konfigurierbare Varan-Schnittstellen mit einer Busgeschwindigkeit von 100 Mbit/s zur Verfügung, die als Manager oder Client konfigurierbar sind. Der Zugriff auf einzelne I/O-Module kann innerhalb von 1,12 µs erfolgen. Somit ist es möglich, die Mini-CPU taktsynchron zu einer anderen CPU zu betreiben und es lassen sich auch komplexe Maschinen in einem dezentralen Verbund abbilden. Das Debuggen und der Software-Austausch können entweder von einer zentralen Stelle aus oder lokal vor Ort erfolgen. Außerdem erweitert das Stromversorgungsmodul PS 101 die Hutschienen-CPU um eine Pufferbatterie, eine USB-Host- sowie eine CAN-Bus-Schnittstelle. Nicht zuletzt sorgen die für Industrieanwendungen konzipierten Standardstecker von Tyco Electronics mit ihrem 2-Punkt-Kontaktprinzip für eine passgenaue und vibrationsfeste Steckverbindung – ebenfalls im Miniformat.

Funktionalität liegt im Engineering

Der dezentrale Ansatz basierend auf kleinen, verteilten Intelligenzen, die ihre Maschinenfunktion exakt erledigen, einfacher in der Wartung sind und sich flexibel an neue Anforderungen anpassen lassen, funktioniert allerdings nur mit einem effizienten Projektierungstool, das solche Maschinen- und Anlagenkonzepte unterstützt. Des Weiteren ist ein hochperformantes Kommunikationsnetzwerk erforderlich, dessen Manager sich automatisch synchronisieren.

Im Fall von Lasal lassen sich die benötigten Hardwaremodule über den Hardware-Editor einfach zusammenstellen: über gruppierte Listen, Suchdialog oder – bei einer bereits bestehenden Anlage – per automatischem Upload über die Online-Verbindung.

© Sigmatek

Über der kompakten und modularen Hardware muss demnach ein durchgängiges Engineering-Tool sitzen, das den modularen, mechatronischen Ansatz unterstützt. Objektorientierte Konzepte sind hier die ideale Wahl. Das bedeutet: Maschinenkomponenten werden als Softwarekomponenten (Objekte) nachgebildet und Code sowie Daten in logische Einheiten (Objekte) zusammengefasst. Dazu wird die Komplexität des Programms gekapselt, das heißt der Programmcode ist auf den ersten Blick nicht ersichtlich. Die gekapselten Objekte werden mit Parametern und Schnittstellen ausgestattet, über die sie mit der „Außenwelt“ kommunizieren. Wenn diese Schnittstellen klar definiert sind, sind Objekte später mit Leichtigkeit gegen andere austauschbar. Beim Erstellen des eigentlichen Programmcodes kann der Software-Ingenieur trotz Objektorientierung auf die vertrauten Sprachen zurückgreifen: Structured Text, Kontaktplan, Ablaufsprache, Anweisungsliste (alle nach IEC-61131-3-Norm) und C.

Beim grafischen Ansatz, den das Disziplin-übergreifende Toolset Lasal von Sigmatek seit Beginn verfolgt, werden die von Klassen erzeugten Objekte (Maschinenmodule) in sogenannten Netzwerken dargestellt. Mit anderen Worten: Der Entwickler sieht auf den ersten Blick die Eigenschaften eines Maschinenteils sowie die Kommunikation mit anderen Objekten, sprich Maschinenteilen. Einmal erstellte und getestete Softwaremodule (Objekte) lassen sich in Bibliotheken ablegen uns später in unterschiedlichen Projekten oder Systemteilen wieder verwenden beziehungsweise auch zu hochkomplexen Programmstrukturen zusammenfügen.