Von Jürgen Rall

Zu den bekanntesten Vertretern von Industrial Ethernet (IE) zählen heute Ethercat, Profinet, Powerlink und Sercos III. Das Protokoll-Management, die Fehlerbehandlung und Gerätelogistik dieser Systeme sind in den so genannten Protokollstacks implementiert, welche somit die Verbindung zwischen der physikalischen Transportschicht und der Anwendungssoftware bilden. Bei Master-Slave-Beziehungen – also zum Beispiel bei Ethercat oder Sercos III – werden die Protokollstacks auf der Anwendungsseite auch „Master-Stacks“ genannt. Die Zielsetzung kommerzieller Protokoll-Stacks ist bei allen Systemen dieselbe: Der Entwickler von Industrial-Ethernet-Projekten soll sich nicht um das Protokoll-Management kümmern müssen, sondern vielmehr um die Verarbeitung der entsprechenden Nutzdaten der angebundenen Stationen. Zur Realisierung seiner Projekte stehen ihm dabei grundsätzlich zwei Wege offen – zum einen standardisierte Anwendungsprogramme, welche zumeist auf den Protokollstacks aufsetzen, zum anderen Bibliotheksysteme, die zur Entwicklung eigener Anwendungsprogramme exportierte Interface-Funktionen bereitstellen.

Ein Beispiel für die logische Parametrierung im Anwendungsprogramm X-GO: Um die Verknüpfung übersichtlich zu gestalten, werden die Ein- oder Ausgänge eines Gerätes ”“ hier je ein Ethercat-Eingangs- und -Ausgangsmodul von Beckhoff ”“ in der Regel abstrahiert, das heißt, absoluten Ein- oder Ausgängen wird ein logischer Name für die Funktion zugewiesen.

Standardisierte Anwendungsprogramme, die zum Großteil unter Windows laufen, erfordern vom Anwender eine logische Projektierung. Der hohe Abstraktionsgrad dieser Programme ermöglicht eine schnelle Umsetzung von Steuerungsprojekten. Das Ergebnis der Projektierung wird dann entweder in eine externe Controller-Hardware geladen oder direkt am PC-Netzwerk betrieben. Beispielhaft zu nennen sind hier Lösungen wie „Twincat“ von der Firma Beckhoff, „Automation-Worx“ von Phoenix Contact oder „X-Go“ aus dem Hause Sybera. Bei all diesen Systemen erfolgt die Verknüpfung der Einund Ausgänge der einzelnen am Netzwerk angeschlossenen Stationen mit Hilfe einer grafischen Oberfläche oder einer Logiksprache. Zuvor werden die Ein- und Ausgänge der Stationen logischen Variablen zugeordnet und somit abstrakt nutzbar gemacht (Parametrieren). Ebenfalls müssen – wie etwa im Fall von Profinet – den Stationen Namen und IP-Adressen für den Betrieb zugeordnet werden. Die Oberflächengestaltung der Steuerung ist durch die zugrundeliegende Software selbst festgelegt und erlaubt nur eine eingeschränkte individuelle Gestaltung.

Die Alternative zu den standardisierten Anwendungsprogrammen ist die Entwicklung, respektive Programmierung eigener Applikationen mit Hilfe von Master-Stack-Bibliotheksystemen wie zum Beispiel „AT-EM1000“ von der Firma Acontis oder „Ecat Realtime Core“ von Sybera. Diese Master-Stack-Bibliothen offerieren unterschiedliche Abstrahierungsgrade. Der Entwickler soll die Möglichkeit haben, durch einfache Interface-Funktionen Steuerungsprojekte programmieren und eigene Anwendungen grafisch gestalten zu können. Wie bei den standardisierten Programmen muss der Entwickler durch Bibliothekfunktionen in der Lage sein, die Parametrierung und die logische Verknüpfung zu realisieren. Darüber hinaus ist zu gewährleisten, dass mit den zur Verfügung stehenden Bibliothekfunktionen auch auf komplexe Vorgänge, wie etwa auf Zustandswechsel der Geräte oder auf Fehlersituationen, Einfluss genommen werden kann. Dies führt zwangsläufig zu einer Redundanz der bereitgestellten Bibliothekfunktionen, da implizierte Mechanismen der Stacks geöffnet werden müssen, wenn ein hoher Abstraktionsgrad der Interfaces gleichzeitig mit einem niedrigen Abstraktionsgrad kombiniert werden soll.

Die Projektierung

Die Projektierung von Industrial-Ethernet-Geräten umfasst logische und verwaltungstechnische Operationen. Wie bereits angedeutet, muss ein am Industrial Ethernet angeschlossenes Gerät vorab als abstrakte Einheit im Programm zur Verfügung gestellt werden. Je nach System, sind dem Gerät hierzu die IP-Adresse, der Stationsname oder sonstige Initialisierungsdaten zuzuweisen. Diese Aufgabe ist durch die Master-Stacks nur bedingt implizit ausführbar, da die Informationen individuell der Projektverwaltung zugeordnet werden. Die Grundinitialisierung eines IE-Gerätes ist wiederum ein Vorgang, der im Protokollstack implizit ausführbar ist. Dazu greift der Master-Stack auf Gerätebeschreibungsdateien zurück. Die Bereitstellung dieser Gerätebeschreibungsdateien mit den Initialisierungsdaten erfolgt durch den Hersteller des entsprechendes Gerätes typischerweise per GSD (Geräte-Stammdaten-Datei), das hierfür verwendete Format ist XML.

Für den Betrieb eines Steuerungssystems sind unterschiedliche Operationen erforderlich. Zu den logischen Basisoperationen eines Steuerungsprogramms gehören typischerweise UND-Verknüpfung, ODER-Verknüpfung, Addition, Subtraktion, Division und Multiplikation. Darüber hinaus müssen zeitliche Abläufe logisch verknüpfbar sein. Dazu dienen Timer- und Zähler-Operationen, sowie bedingte und nicht-bedingte Sprünge. Gerade analoge Geräte erfordern die Verarbeitung von Zwischenwerten (beispielsweise Rampenkennlinien) durch bedingte Zähler. Die logische Verknüpfung erfolgt in den meisten Anwendungsprogrammen grafisch (Schaltplan-Diagramm) oder (normiert) textbasiert (Script-Sprache).

Je nach Anwendungsprogramm können nach der Abstrahierung der Ein und Ausgänge logische Operationen definiert werden ”“ beispielsweise: Motor1 = Schalter1 & Kühlmittelsensor.

Sofern der Programmablauf im Anwendungsprogramm selbst erfolgen kann (im Gegensatz zum Download des Ablaufprogramms auf das Controller-Modul), ist die Bedienoberfläche durch das Anwendungsprogramm selbst festgelegt. Eine individuelle Anpassung ist hier nur bedingt durch eventuell bereitgestellte Software-Interfaces möglich. Master-Stack-Bibliotheksysteme hingegen exportieren die gesamte Funktionalität, die notwendig ist, um die Parametrierung und logische Verknüpfung von Ein- und Ausgängen zu programmieren. Der Entwickler arbeitet hier typischerweise in einem homogenen Entwicklungsumfeld – etwa in Visual C++ –, um sowohl die Oberflächengestaltung als auch die logische Funktion der Steuerung zu realisieren. Je nach Anwendung stellen die Master-Stack-Bibliotheken hierfür bereits voreingestellte Funktionen zur Verfügung (etwa für Adressierung und Standard-Betriebsmodi), mit denen sich grundlegende Steuerungsprogramme entwickeln lassen. Für komplexere Vorgänge, wie etwa Zustandsbeeinflussung oder erweiterte Betriebsmodi, stehen dem Entwickler in der Regel tiefergreifende Funktionen zur Verfügung – zum Beispiel für Zustandswechsel, SDO-Operationen (CoE), Betriebsmoduswechsel oder Watchdog.

Oftmals werden Master-Stacks unter Windows von einem Echtzeit-System gesteuert und erlauben somit den deterministischen Betrieb des Industrial-Ethernet-Systems. Der Datenaustausch zwischen dem Echtzeit-System und der Windows-Applikation erfolgt üblicherweise über einen gemeinsamen Speicherbereich. Der Vorteil dieser Methode besteht darin, dass auf eine externe Controller-Hardware verzichtet, und eine Visualisierung der Gerätedaten auf direktem Wege erfolgen kann.

Ob nun Standard-Anwendungsprogramm oder eine Master-Stack-Programmierbibliothek die geeignete Lösung ist, lässt sich nicht pauschal beantworten. Nur soviel: Beide Systeme sollten für Erweiterungen und Interkonnektivität offen sein. Während durch standardisierte Anwendungsprogramme die schnelle Realisierung für firmeninterne Projekte wie beispielsweise Testsysteme möglich ist, bieten Bibliotheksysteme hingegen aufgrund ihrer Flexibilität, Interkonnektivität und grafischen Gestaltungsmöglichkeiten deutliche Vorteile für komplexe Aufgabenstellungen. In jedem Fall sollten vor der Entscheidung eine gründliche Beurteilung sowie ein Vergleich der Systeme stehen.

Autor:

Jürgen Rall ist Geschäftsführer der Firma Sybera, Holzgerlingen.