Phoenix Contact PLCnext: Anwenderfreundliche Plattform für grenzenlose Automatisierung

Phoenix Contact hat sich die Frage gestellt, wie eine Steuerungsplattform aussehen muss, die den Anwendern „sämtliche“ Freiheitsgrade bei der Umsetzung zukunftssicherer Automatisierungslösungen bietet: Mit der sich einerseits von der Open-Source-Community profitieren und jede Applikation möglichst schnell und einfach automatisieren lässt, die aber auf der anderen Seite nicht zur Verwendung bestimmter Engineering-Werkzeuge zwingt. Als Antwort wurde die PLCnext Technology präsentiert.

Mit der PLCnext Technology stellt Phoenix Contact eine Plattform für grenzenlose Automatisierung zur Verfügung.

Mit der PLCnext Technology stellt Phoenix Contact eine Plattform für grenzenlose Automatisierung zur Verfügung.

Neben der ARM- oder x86-basierten Hardware stellt das Betriebssystem den wesentlichen Bestandteil eines modernen Prozessorsystems dar. Um in einer Steuerung eingesetzt werden zu können, muss das Betriebssystem echtzeitfähig sein, weshalb nicht jede Lösung genutzt werden kann. Bei der Auswahl des Betriebssystems spielt zudem die Verfügbarkeit von Code, Bibliotheken oder ganzen Applikationen eine entscheidende Rolle. Aufgrund dieser Rahmenbedingungen hat sich Phoenix Contact bei der PLCnext Technology für Linux mit Echtzeiterweiterung entschieden. Auf diese Weise ist die Ausführung von Code in und außerhalb des Echtzeitkontextes möglich. Mit Linux können Programme zur Maschinensteuerung somit deterministisch abgearbeitet werden, während beispielsweise die Kommunikation mit Datenbanken außerhalb der Echtzeit läuft.

Damit der Anwender in der gewohnten Umgebung gemäß IEC 61131-3 programmieren kann, muss die Laufzeitumgebung oberhalb des Betriebssystems angesiedelt sein, sodass sie mit dem Engineering-Werkzeug – bei Phoenix Contact mit PC Worx Engineer – kommunizieren kann. Die dort erstellten Programme werden auf die Steuerung geladen und in der Laufzeitumgebung ausgeführt. Die PLCnext Technology erscheint also bisher wie eine klassische SPS, nur dass ein offenes Betriebssystem Anwendung findet. Zur Realisierung einer typischen modernen Applikation reicht ein solcher Ansatz jedoch nicht aus.

Mehrere Entwickler können unabhängig voneinander mit unterschiedlichen Entwicklungswerkzeugen an einem Projekt arbeiten.

Mehrere Entwickler können unabhängig voneinander mit unterschiedlichen Entwicklungswerkzeugen an einem Projekt arbeiten.

Weiterleitung von Datensätzen in einem festen Zeitabstand

In der Regel schreibt der Anwender das Programm zur Maschinensteuerung in IEC 61131-3. Nun möchte er einen mit Matlab Simulink oder C++ erstellten Regler in die Applikation einbinden, ohne ihn in IEC 61131-3 umschreiben zu müssen. Das Umschreiben ist oftmals notwendig, da die meisten Systeme den direkten Zugriff aus dem Hochsprachenprogramm auf Betriebssystemfunktionen nicht erlauben. Ferner sind viele Applikationen direkt an eine Datenbank angekoppelt – und das unter Umständen über eine VPN-Verbindung.

Wegen der Netzwerkinfrastruktur sowie der Eigenschaften von TCP/IP und UDP/IP als Transportmechanismus erweist sich die Umsetzung der Kommunikationsaufgabe innerhalb der Echtzeitumgebung als problematisch. Das deshalb, weil der Übertragungskanal – das Netzwerk oder das Internet – nicht deterministisch ist. Deterministisch bedeutet, dass die Applikation die Weiterleitung eines Datensatzes in einem festen Zeitabstand erwartet, was aufgrund der Netzwerkeigenschaften nicht unbedingt der Fall ist. Vielmehr täuscht die hohe Übertragungsgeschwindigkeit einen gewissen Determinismus vor: Bis ein neues Paket gesendet wird, ist das vorherige Paket sicher schon beim Empfänger eingetroffen. Der Anwender baut daher Wartezyklen in sein Programm ein oder reduziert das Datenvolumen so weit, dass selbst langsame Netzwerke einigermaßen funktionieren.

Aus diesem Vorgehen resultieren unnötige Verzögerungen innerhalb der Applikation sowie ein erheblicher Programmieraufwand. Besser wäre es, die Kommunikationsfunktionen außerhalb der Echtzeitumgebung des Geräts zu realisieren, denn dann ist die eigentliche Maschinenanwendung unabhängig von der Qualität des Übertragungskanals.

ESM und GDS sind unabhängig zu konfigurieren und arbeiten Hand in Hand, um dem Anwender die größtmögliche Freiheit bei der Systemkonfiguration zu ermöglichen.

ESM und GDS sind unabhängig zu konfigurieren und arbeiten Hand in Hand, um dem Anwender die größtmögliche Freiheit bei der Systemkonfiguration zu ermöglichen.

Mischbetrieb von IEC 61131- und Hochsprachencode

In modernen Applikationen wird es somit vermehrt einen Mischbetrieb aus IEC 61131-Programmen und Hochsprachenkomponenten geben, die sowohl in als auch außerhalb von Echtzeit abgearbeitet werden müssen. Darüber hinaus hat der Programmierer sicherzustellen, dass die Daten konsistent von einem zum nächsten Prozess übertragen werden. Die Umsetzung dieser beiden Anforderungen stellt sogar für Experten eine Fehlerquelle dar. So ist der zeitliche Zusammenhang der verschiedenen Prozesse im System häufig nicht genau bekannt, sodass falsche Prioritäten gesetzt werden. Oder es kommt vor, dass Ressourcen nicht geblockt sind und in der Applikation deshalb seltsame Effekte auftreten.

Hier eröffnet die PLCnext Technology dem Anwender respektive Programmierer einen Vorteil, denn sie umfasst u. a. einen Execution and Synchronization Manager (ESM) und den Global Dataspace (GDS). Mit dem ESM kann der Anwender Programme, die in IEC 61131, C++ oder Matlab Simulink geschrieben sind, durch eine einfache Konfiguration per XML-Datei in einen festen Abarbeitungszyklus bringen und die Abarbeitungsreihenfolge festlegen. Auf diese Weise wird die Funktion einer typischen SPS mit Hochsprachen- und/oder IEC-61131-3-Programmen im Mischbetrieb auf einfache Art realisiert.

Bei Mehrprozessorsystemen lässt sich ebenfalls die Core-Affinität konfigurieren, um die Mehrkern-Prozessoren effizient zu nutzen. Dabei laufen alle Programme nativ auf der Betriebssystemebene, was für eine bestmögliche Performance sorgt. Bei der PLCnext Technology findet dieses Scheduling-Konzept auf der Betriebssystemebene statt, damit die mit beliebigen Engineering-Werkzeugen erstellten Programme flexibel kombiniert werden können und zusammenarbeiten.

Der Controller AXC F 2152 war als erstes Gerät mit PLCnext Technology erhältlich.

Der Controller AXC F 2152 war als erstes Gerät mit PLCnext Technology erhältlich.

Konsistenz beim Datenaustausch zwischen den Programmen

Der GDS ist für den konsistenten Datenaustausch zwischen den Programmen sowie mit den unterschiedlichen Feldbussystemen verantwortlich. Bei ihm handelt es sich um mehr als ein Shared Memory, denn der GDS bietet dem Anwender Funktionen wie Publishing und Subscribing, intelligente Buffer-Mechanismen sowie eine einfache Konfiguration über eine für den Menschen lesbare XML-Datei. Das reduziert den Zeitbedarf des Programmierers erheblich, da er lediglich angeben muss, welche Ausgangsdaten eines Programms mit den Eingangsdaten eines anderen Programms oder Feldbussystems verbunden werden sollen. Um den Buffer-Mechanismus und somit das Blockieren von Ressourcen kümmert sich der GDS.

ESM und GDS bilden den Kern der PLCnext Technology und sind in der Form einzigartig, weil der Anwender sich sein System in diesen beiden Freiheitsgraden konfigurieren kann und kein bestimmtes Engineering-Werkzeug verwenden muss. Zudem lässt sich auf den Geräten mit PLCnext Technology auch eine reine Hochsprachen-Applikation mit wenig Aufwand echtzeitfähig ausführen. Moderne Applikationen, die sich aus Programmen in beliebigen Programmiersprachen zusammensetzen, können in einen zeitlichen Kontext gebracht sowie in oder außerhalb von Echtzeit abgearbeitet werden – je nachdem, was am sinnvollsten ist. Außerdem stellt die PLCnext Technology den konsistenten Datenaustausch zwischen den einzelnen Programmen sicher, senkt die Programmierdauer und reduziert ferner die Wahrscheinlichkeit von Programmierfehlern beim Datenaustausch zwischen den Programmen.

Unterstützung der gewohnten Debugging-Mechanismen

Die PLCnext Technology verfügt darüber hinaus über einen intelligenten Datenlogger, der ebenfalls mittels einer XML-Datei konfiguriert wird und direkt in SQL-Datenbanken speichern kann. So lassen sich Prozessdaten getriggert zyklussynchron mitschreiben und beispielsweise bei Überschreitung von Grenzwerten alle wichtigen Daten zum entscheidenden Zeitpunkt aufzeichnen. Zudem umfasst die PLCnext Technology einen OPC UA-Server und -Client sowie die Profinet-Controller und -Device-Funktionalität. Ferner werden sämtliche Debugging-Mechanismen unterstützt, die der Programmierer aus seiner Tool Chain gewohnt ist. So kann der Eclipse-Programmierer sein Tracing nutzen, um sich die Systemauslastung anzeigen zu lassen und eventuelle Probleme bei den Task-Prioritäten und den daraus resultierenden Unterbrechungen zu erkennen.

Mit der PLCnext Technology kann sich der Anwender aus der Open-Source-Community bedienen. Er hat also Zugriff auf einen der größten Software-Pools. Beispielsweise lässt sich ein OpenVPN-Client oder -Server installieren sowie eine Datenbank auf dem Gerät oder beliebige Laufzeitumgebungen – z. B. zur Visualisierung – einrichten. Damit eröffnet die PLCnext Technology einen deutlichen Mehrwert gegenüber starr in die IEC 61131-Laufzeitumgebung integrierten Lösungen und gibt dem Anwender die Freiheit, die er für die Umsetzung seiner Applikation benötigt. Dabei kann er sich auch nur in der IEC 61131-Umgebung bewegen, die für alle PLCnext Technology-Geräte PC Worx Engineer heißt.

Verknüpfung der Prozessdaten in grafischer Form

Verwendet der Anwender PC Worx Engineer als eines der Werkzeuge innerhalb der Tool-Chain zur Erstellung einer Applikation, lässt sich das System dort grafisch konfigurieren, statt die beschriebene XML-Datei zu nutzen. Tasks, Programme und Prozessdaten können grafisch verknüpft werden. Das gilt ebenso für Hochsprachenprogramme, die als Instanz ebenfalls eine grafische Darstellung haben. Beispielsweise kann der Programmierer der Maschinenapplikation einen in Hochsprache geschriebenen Regelkreis als Programminstanz in PC Worx Engineer einfügen, der dort dann als Baustein abgebildet wird. Die Verknüpfung der Prozessdaten findet anschließend grafisch statt.

Da es sich hierbei nicht um einen wirklichen Import eines Hochsprachenprogramms handelt – sämtliche Programme laufen ja nativ auf der Betriebssystemebene – sondern vielmehr um eine Instanziierung, lässt sich der Regler später im laufenden Betrieb separat vom IEC-61131-Programm updaten, ohne eine Veränderung am IEC-61131-Programm durchführen zu müssen – ein weiterer Vorteil der Technologie.

Die PLCnext Technology überzeugt außerdem durch ein durchgängig realisiertes Security-Konzept. Das beginnt bei einem auf den Geräten aufgebrachten Vertrauensanker in Form eines Trusted-Platform-Moduls (TPM). Ein Benutzer- und Gruppenmanagement erlaubt die individuelle Anpassung der Zugriffsrechte bis auf das Prozessdatum. Die Datenübertragung zum Engineering erfolgt verschlüsselt und authentifiziert. Darüber hinaus stehen regelmäßige Sicherheits-Updates zur Verfügung, die entweder über ein Device-Management oder manuell installiert werden können.

Halle A, Stand A0944

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