TwinCAT. SPS und Motion Control auf dem PC. TwinCAT

Transkript

1 TwinCAT 892

2 TwinCAT SPS und Motion Control auf dem PC TwinCAT 893

3 938 TwinCAT TwinCAT 894

4 TwinCAT The Windows Control and Automation Technology 896 Einleitung TwinCAT Einleitung extended Automation Architecture (XAA) extended Automation Engineering (XAE) extended Automation Runtime (XAR) Produktübersicht Produktübersicht TwinCAT 2 PLC TX1200 TwinCAT 2 NC PTP TX1250 TwinCAT 2 NC I TX Engineering TE1xxx TwinCAT 2 CNC TX1270 TwinCAT 2 I/O TX TwinCAT 2 CP TX Base TC1xxx Functions System TF1xxx Measurement TF3xxx Controller TF4xxx Motion TF5xxx Connectivity TF6xxx Industry specific TF8xxx TwinCAT 2 Supplements System TSxxxx Controller TS4xxx Motion TS5xxx Communication TS6xxx Building Automation TSxxxx TwinCAT 895

5 TwinCAT TwinCAT 896 eine Engineering-Umgebung, basiert auf Microsoft Visual Studio IEC 61131, C/C++, MATLAB /Simulink integrierte Module: Echtzeit PLC, NC, CNC Robotik Messtechnik Safety TwinCAT-3-Module: standardisierter Programmierrahmen für modulare Programmierung automatische Codegenerierung und Projekterstellung mit dem TwinCAT Automation Interface TwinCAT-3-Laufzeitumgebung harte Echtzeit für Windows eine Laufzeit für alle Module IEC , C/C++-, MATLAB /Simulink - Objekte in einer Laufzeit integrierte TwinSAFE-Laufzeit erweiterte Echtzeit-Funktionalität: min. 50 µs Zykluszeit und geringer Jitter verbesserte Leistung: Unterstützung von Mehrkern-CPUs zukunftssicher: Unterstützung von 64-Bit-Betriebssystemen Siehe Seite 898

6 TwinCAT 2 Engineering und Runtime IEC Programmierumgebung integrierte Module: Echtzeit PLC, NC, CNC Robotik Messtechnik Safety TwinCAT-2-Laufzeitumgebung harte Echtzeit für Windows Echtzeit-Jitter kleiner als 5 µs Zykluszeit min. 50 µs einstellbar präemptives Multitasking Siehe Seite 938 TwinCAT 897

7 extended Automation Technology (XAT) 898

8 Mit steht eine PC-basierte Steuerungssoftware zur Verfügung, mit der die Standard-Automatisierungswelt deutlich erweitert wird. Neben den objektorientierten Erweiterungen der IEC stehen mit C und C++ auch die Sprachen der IT-Welt zur Verfügung. Die Integration von MATLAB / Simulink ermöglicht zudem den Einsatz in wissenschaftlichen Bereichen. Und das alles in nur einer Engineering-Umgebung. Lauffähig sind die Module in den unterschiedlichen Sprachen in einer gemeinsamen Runtime. Der Vorteil dieser Modularität ist die verbesserte Wiederverwendung von einmal geschriebenen und getesteten Modulen. Die Runtime läuft unter harten Echtzeitbedingungen, unter der Nutzung von Multicore-Technologie und mit der Unterstützung von 32- oder 64-Bit-Betriebssystemen. TwinCAT-3-Highlights nur eine Software für Programmierung und Konfiguration Visual-Studio -Integration mehr Freiheitsgrade bei der Wahl der Programmiersprache Unterstützung der objektorientierten Erweiterung der IEC Verwendung von C/C++ als Programmiersprache für Echtzeitanwendungen Anbindung an MATLAB /Simulink offene Schnittstellen für Erweiterbarkeit und Anpassung an bestehende Tool-Landschaft flexible Laufzeitumgebung aktive Unterstützung von Multicore- und 64-Bit-Betriebssystemen Migration von TwinCAT-2-Projekten automatische Codegenerierung und Projekterstellung mit dem TwinCAT Automation Interface 899

9 extended Automation Architecture (XAA) PC System Windows 32/64 bit Engineering Environment based on Visual Studio System Manager Configuration Programming IEC objectoriented extensions C/C++ Neben den Möglichkeiten der Steuerungsprogrammierung nach der 3 rd Edition der IEC , erlaubt die neue TwinCAT-3-Architektur die Verwendung von C und C++ als Programmiersprache. Damit erschließen sich völlig neue Möglichkeiten der Anwendung sowie Erweiterung bzw. Integration in bestehende Systemlandschaften. Die Anbindung an MATLAB /Simulink ist nur ein Beispiel für diese neue Offenheit. TwinCAT Transport Layer ADS runtime Real-time Kernel TcCOM PLC TcCOM Safety TcCOM NC TcCOM C Module TcCOM CNC TcCOM Simulink Module TcCOM C++ Module TcCOM PLC TwinCAT Automation Device Driver ADD Fieldbus erweitert die Standard-Automatisierungswelt 900 extended Automation Architecture unterstützt alle wichtigen Feldbusse unterstützt IEC 61131, C/C++, MATLAB /Simulink unterstützt Motion Control: von Point-to-Point zu CNC unterstützt TwinSAFE-Konfiguration unterstützt Scientific Automation: Robotik, Messtechnik, Condition Monitoring extended Automation Engineering ein Tool Microsoft Visual Studio integriert: IEC weltweiter Standard in der Automatisierung integriert: C/C++ weltweiter Standard in der IT integriert: TwinCAT System Manager allgemein bekanntes Konfigurationstool Link zu MATLAB /Simulink : weltweiter Standard im wissenschaftlichen Bereich erweiterbar mit anderen Tools: Editoren, Compiler TwinCAT-2-Projekte können migriert werden. TwinCAT-3-Module: standardisierter Programmierrahmen Verwendung der.net-programmiersprachen für nicht echtzeitfähige Anwendungen (z. B. HMI) extended Automation Runtime IEC , C/C++-, MATLAB / Simulink -Objekte in einer Laufzeit integrierte TwinSAFE-Laufzeit erweiterte Echtzeit-Funktionalität: min. 50 µs Zykluszeit und geringer Jitter verbesserte Leistung: Unterstützung von Mehrkern-CPUs zukunftsfähig: Unterstützung von 64-Bit-Betriebssystemen

10 extended Automation Engineering (XAE) Durch die Einbindung in Microsoft Visual Studio besteht die Möglichkeit, Automatisierungsobjekte parallel mithilfe der 3 rd Edition der IEC und den Sprachen C bzw. C++ zu programmieren. Die erzeugten Objekte (Module) können unabhängig von der Erstellungssprache Daten austauschen und sich gegenseitig aufrufen. Der TwinCAT System Manager wurde in die Entwicklungsumgebung integriert. Damit ist nur noch eine Software erforderlich, um Automatisierungsgeräte zu konfigurieren, parametrieren, programmieren und zu diagnostizieren. Engineering Environment based on Visual Studio System Manager Configuration I/O PLC C/C++ NC NC I CNC Safety others TwinCAT Transport Layer ADS runtime Programming Nonreal-time C#/.NET Real-time IEC IEC Compiler Objectoriented extensions C/C++ MATLAB / Simulink Simulink Coder Microsoft C Compiler Third-party programming tool C/C++ Die Visual-Studio -Integration erfolgt auf zwei verschiedenen Wegen. TwinCAT Standard nutzt lediglich das Basis-Framework von Visual Studio mit all seinen Vorteilen bezüglich des Handlings, der Anbindung an Quellcodeverwaltungssoftware etc. TwinCAT Integrated integriert sich in das Visual Studio. In dieser Version stehen die Programmiersprachen C/C++, C#, VB.NET und die MATLAB /Simulink -Anbindung zur Verfügung. Flexibler Einsatz von Programmiersprachen Programmiersprachen C und C++ genormt weit verbreitete Programmiersprachen sehr leistungsstarke Programmiersprachen werden unter der gleichen Laufzeit wie SPS-Programme ausgeführt zur Implementierung von Treibern Erweitertes Debuggen von C++-Programmen Debuggen von in Echtzeit laufenden C++-Programmen Verwendung von Breakpoints Verwendung von Watchlisten Auswertung von Callstacks.NET-Programmiersprachen Verwendung für Nicht-Echtzeit- Programmierung (z. B.: HMI) Quellcodeverwaltung im selben Projekt Verknüpfung mit MATLAB /Simulink viele verschiedene Toolboxen vorhanden Verwendung: beim Aufbau von Regelkreisen bei der Simulation bei der Optimierung automatische Codegenerierung Debugging-Schnittstelle zwischen MATLAB /Simulink und TwinCAT 901

11 extended Automation Language Support Echtzeit Nicht- Echtzeit System Manager C# KOP-Editor.NET FBS-Editor Visual Basic AS-Editor C++ AWL- Editor Silverlight ST-Editor CFC-Editor Visual-C/ C++-Editor Parallele Ver wendung der Programmiersprachen C++ und FBS In Visual Studio integrierter TwinCAT System Manager Integration von Visual Studio 902 Automatisierungsgeräte- und Anwendungsprogrammierung in einer Umgebung Nutzung der bekanntesten und am besten unterstützten Entwicklungsumgebung zukunftssicher Bearbeitung von SPS-Programmen und komplexen Visualisierungen in einer Umgebung Unterstützung von Mehrsprachigkeit modernes Look-and-feel kontextsensitive Online-Hilfe automatische Syntaxüberprüfung IntelliSense Syntaxhervorhebung Nutzung der bekannten Quellcodeverwaltungswerkzeuge offene Architektur erweiterbar durch Plug-ins

12 XA Language Support: IEC Für die effizientere Programmierung von Automatisierungsgeräten wurden die Editoren für die Programmierung nach der IEC deutlichen Verbesserungen unterzogen. Dabei wurden insbesondere die Bedienbarkeit verbessert und die Debugging-Möglichkeiten erweitert. Zu den neuen Möglichkeiten zählen u. a. ein verbessertes Inline-Monitoring sowie bedingte Breakpoints. Die Editoren der IEC wurden nahtlos in die Visual- Studio -Umgebung integriert. So verwenden z. B. die Editoren für die grafischen Sprachen die originale Visual-Studio -Toolbox. Verbessertes Inline-Monitoring für die Programmiersprache ST 903

13 XA Language Support: IEC unterstützt die 3 rd Edition der IEC vollständig. Sie ermöglicht u. a. die Verwendung von objektorientierten Techniken, wie Einfachvererbung, Interfaces, Methoden und Attributen, die sowohl die Wiederverwendbarkeit als auch die Qualität des Steuerungscodes deutlich erhöhen. Beispiel für die Anwendung von Polymorphie innerhalb einer IEC POU (Program Organization Unit) IEC Programmierung 904 anbieterunabhängiger Programmierstandard PLCopen-Zertifizierung portable, wiederverwendbare Software 5 grafik- und textbasierte Programmiersprachen: strukturierter Text und Anweisungsliste Funktionsplan und Kontaktplan Ablaufsprache Datenkapselung durch benutzerdefinierte Datentypen Erweiterte Möglichkeiten in verbesserte Bedienbarkeit auto complete Markieren zusammengehöriger Schlüsselwörter Zuklappen von Programmierstrukturen erweitertes Debugging Verwendung von bedingten Breakpoints verbessertes Inline-Monitoring objektorientierte Erweiterungen Einfachvererbung Interfaces Methoden Attribute

14 XA Language Support: C/C++ bietet die Möglichkeit, Automatisierungsprojekte mithilfe der Sprachen C/C++ zu programmieren. Für die Code-Generierung wird der im Microsoft Visual Studio 2010 enthaltene C-Compiler verwendet. Mithilfe von C++ Libraries werden Funktionen für das Einlesen/Schreiben von Dateien, Starten von Treads, Allokieren von Speicher oder Kommunizieren mit einer Datenbank bereitgestellt, was dem IEC Mechanismus bei der Verwendung von Bibliotheken entspricht. Wizards zur Erstellung von Basisprojekten, Klassen und I/O- Variablen ermöglichen effizientes Engineering. INIT Parameter IP PI PREOP Parameter PS SP Die Routine Cycle- Update wird zyklisch abgearbeitet. Auch ohne Breakpoint setzen zu müssen, stehen die internen Variablen für das Monitoring im TwinCAT- Online-Watchfenster zur Verfügung. SAFEOP SO OS OP Statemachine mit Transitionen für die TwinCAT-Module C/C++ als Programmiersprachen in der Automatisierung Programmiersprachen C und C++ leistungsstarke, weit verbreitete Programmiersprachen genormte, objektorientierte Programmiersprachen Erzeugung von effizientem Zielcode werden unter der gleichen Laufzeit wie SPS-Programme ausgeführt zur Implementierung von Treibern Beckhoff-C++-Libraries für erweiterte Funktionalitäten im Echtzeitkontext Erweitertes Debuggen von C++-Programmen Debuggen von in Echtzeit laufenden C++-Programmen Monitoring, Watchlisten ohne Verwendung von Breakpoints.NET-Programmiersprachen Verwendung für Nicht-Echtzeit- Programmierung (z. B.: HMI) Quellcodeverwaltung im selben Projekt 905

15 XA Language Support: MATLAB /Simulink Die Anbindung von MATLAB /Simulink ermöglicht die Ausführung von TwinCAT-Modulen, die in der Simulationsumgebung Simulink als Modell erzeugt wurden. Durch die gewählte Art der Anbindung werden die Parameter und Variablen in der grafischen Oberfläche von dargestellt und können zur Laufzeit auch in der Echtzeitumgebung betrachtet und geändert werden. Beispiel für einen Temperaturregler in MATLAB /Simulink Parameteransicht des generierten Moduls in TwinCAT Anbindung an die Simulationssoftware MATLAB /Simulink 906 Standardwerkzeug in wissenschaftlichen und messtechnischen Anwendungen große Vielfalt an Toolboxen (z. B. Fuzzy Logic Toolbox) Erstellung, Simulation und Optimierung von komplexen Regelkreisen automatische Generierung von Code mithilfe des Realtime-Workshops Debug-Schnittstelle zwischen und Simulink Parametrierung des generierten Moduls in Download und Ausführung des Moduls in der TwinCAT-3- Laufzeit mehrfache Instanziierung der Module möglich Nutzung der Module ohne MATLAB /Simulink

16 extended Motion Control Mit extended Motion Control beinhaltet die TwinCAT-Automatisierungssoftware eine durchgängige und skalierbare Lösung für die Bewegungssteuerung. Diese reicht von einfachen Punkt-zu-Punkt-Bewegungen über CNC bis hin zur Ansteuerung von Robotern. Funktionalität NC PTP NC I CNC Robotics Unterstützung von unterschiedlichsten Kinematiken optionale Drehmomentvorsteuerung Punkt-zu-Punkt- Bewegung Getriebe Kurvenscheiben Superposition Fliegende Säge Interpolierende Be we - gung mit 3 Achsen und 5 zusätzlichen Achsen Programmierung nach DIN technologische Features einfache Nutzung durch Funktionsbausteine aus der SPS Komplette CNC-Funktionalität interpolierende Bewegung für bis zu 32 Achsen je Kanal verschiedene Transformationen Interpolierende Bewegung für Robotersteuerung Interpolierende Bewegung für Robotic Control Vorteile der Integration von Robotic Control in TwinCAT Konfiguration, Parametrierung, Diagnose und Programmierung in TwinCAT optimales Zusammenarbeiten von SPS, Bewegungssteuerung und Robotersteuerung hohe Performance und Genauigkeit durch direkte Schnittstellen Berechnungsprozess der Kinematik Vorwärtstransformation Rückwärtstransformation Berechnung des dynamischen Modells 907

17 Safety-Editor Der in integrierte Safety-Editor erlaubt die Erstellung einer Sicherheitsapplikation in einer freigrafischen Umgebung. Die gewünschte Logik wird mithilfe einer Funktionsblock-Diagrammsprache programmiert. Der Editor unterstützt dabei eine zunächst von der verwendeten Hardware unabhängige Programmierung, sodass eine erhöhte Flexibilität und Portabilität gegeben ist. Mithilfe einer automatischen Dokumentationsgenerierung wird sowohl die Dokumentation an sich als auch die Inbetriebnahme enorm vereinfacht. Weiterführende Informationen zu TwinSAFE und den TwinSAFE-Produkten siehe Seite 966 TwinCAT Safety Editor 908 vollständig integriert in freigrafische Programmierung bequeme Diagnose durch Anzeige der Onlinewerte direkt in der grafischen Darstellung Übersicht über den Online- Zustand beteiligter Gruppen, Verbindungen und Funktionsblöcke mehrstufige Prüfung der Applikation auf Konsistenz automatische Verifikation des Downloads eines Projektes automatische Generierung der Dokumentation für Abnahme und Inbetriebnahme

18 extended Automation Performance Die aktuelle Entwicklung im Bereich der Computertechnik, die CPUs mit immer mehr Kernen verfügbar macht, ermöglicht die Verteilung von Aufgaben auf verschiedene Kerne. Dies wird auch von der TwinCAT-3-Laufzeitumgebung unterstützt, sodass funktionale Einheiten HMI, PLC- Runtime, MC auf dedizierte Kerne verteilt werden können. Für jeden von der Laufzeitumgebung verwendeten Kern können sowohl die maximale Auslastung als auch die Basis und damit die möglichen Zykuszeiten separat eingestellt werden. Multi-core CPU Windows OS Core 0 Windows Apps Windows Drivers Engineering Tools ADS ADS Router Engine No Windows OS 100 % for TwinCAT! Core 1 Core 2 Core 3 Core User HMI PLC runtime 0 PLC runtime 1 NC runtime 1 Task 0 Task 1 ADS ADS ADS ADS Durch die Verwendung von Multicore-Systemen können funktionale Einheiten (z. B. PLC-, NC-Runtimes, HMI) auf einzelne Rechnerkerne verteilt werden. L2 Shared Cache ADS Router Message Queues System Memory Dialog für die Verteilung von Tasks auf Rechnerkerne: Im sogenannten Core Isolation -Modus ist es darüber hinaus möglich, einzelne Cores ausschließlich für die Verwendung von TwinCAT zur Verfügung zu stellen. Auf diesen Kernen entfällt somit der Kontext-Wechsel zwischen TwinCAT und dem Windows-Betriebssystem, was die erreichbare Performance noch einmal steigert. Multicore- und Multitasking-Unterstützung Unterstützt Mehrkernsysteme Verteilung von Anwendungen auf Kerne (z. B.: können SPS, NC und HMI auf unterschiedlichen Kernen laufen) Unterstützt Multitasking präemptives Multitasking paralleles Abarbeiten von Tasks Unterstützt 64-Bit-Betriebssysteme Verwendung von mehr Ressourcen (Speicher) 909

19 extended Automation Runtime (XAR) Durch standardisierte Module kann die TwinCAT-3-Runtime offen und flexibel gestaltet werden. Sie stellt eine Umgebung zur Verfügung, in der TwinCAT-3-Module ablaufen können. Ob es sich bei diesen Modulen um eine SPS, eine NC, eine CNC, ein RC (Robotic Control) oder aus C/C++-Code generierten Modulen (z. B. durch MATLAB /Simulink ) handelt, ist unerheblich. TwinCAT Transport Layer ADS TC Configuration TwinCAT Object Manager Debugging TwinCAT Real-time Kernel Task Task Task Task TcCOM TcCOM TcCOM TcCOM PLC Task C++ Module Task CNC Task Safety FBD TcCOM TcCOM TcCOM Call NC Call Simulink Module PLC Call runtime Call TcCOM TcCOM TcCOM TcCOM C++ Module C Module Simulink Module Safety TwinCAT Automation Device Driver ADD Fieldbus Modularer Aufbau der TwinCAT-3-Runtime Modulares Design, Offenheit, Erweiterbarkeit 910 Offene Laufzeitschnittstelle Funktionalität in Module verpackt Nutzung von Diensten aus Systemmodulen (z. B. Echtzeit) definierte Schnittstellen Erweiterung der Laufzeit durch eigene Module (z. B. Bustreiber) Skalierbarkeit: Module können einfache Funktionen, komplexe Algorithmen, Echtzeitaufgaben enthalten.

20 TwinCAT-3-Module bestehen aus einer Reihe von formal definierten Eigenschaften und Schnittstellen. Diese erlauben eine allgemeine Verwendung der Module sowohl untereinander als auch von außen. Mithilfe dieser vordefinierten Schnittstellen ist zum Beispiel der zyklische Aufruf der internen Modul-Logik möglich. Jedes Modul implementiert eine State-Machine, welche die Initialisierung, Parametrierung und Verlinkung des jeweiligen Moduls steuert. TwinCAT Module Module Description State Machine ITComObject Interface Neben den Anwendermodulen gibt es bereits eine Reihe von Systemmodulen, die Basisfunktionalitäten der Runtime bereitstellen (z. B. TwinCAT- Echtzeit). Diese Module besitzen feste Object-IDs und sind somit von jedem Modul aus erreichbar. Interfaces Parameter Interfaces Pointers Data Areas Contexts Categories ADS Port Data Area Pointers Aufbau eines TwinCAT-3-Moduls Auswahl und Parametrierung eines MATLAB /Simulink -Moduls Schnelle Kommunikation, Wiederverwendbarkeit Funktionalität der Module skalierbar direkte und damit sehr schnelle Kommunikation zwischen Modulen Module sind gekapselt. Module können unabhängig voneinander entwickelt, gewartet und getestet werden. hohe Wiederverwendbarkeit 911

21 TwinCAT 2 TwinCAT 2 938

22 The Windows Control and Automation Technology Das Beckhoff-TwinCAT-Softwaresystem verwandelt nahezu jeden kompatiblen PC in eine Echtzeitsteuerung mit Multi-SPS-System, NC-Achsregelung, Programmierumgebung und Bedienstation. Gleichzeitig integriert TwinCAT die Programmierumgebung für alle Beckhoff-Steuerungen: von der Highend- Industrie-PC-Steuerung bis zum Embedded- Controller. TwinCAT-Architektur TwinCAT besteht aus Laufzeitsystemen zur Echtzeitausführung von Steuerungsprogrammen und den Entwicklungsumgebungen zur Programmierung, Konfiguration und Diagnose: TwinCAT I/O: universelles I/O-Interface für alle gängigen Feldbusse TwinCAT PLC: erlaubt die Programmierung von bis zu vier SPS-Laufzeiten auf einem PC. Das SPS-Programm kann dabei wahlweise in einer oder mehreren Sprachen der IEC (AWL, KOP, FBS, AS, ST) oder CFC geschrieben werden. TwinCAT NC: ermöglicht die gleichzeitige Positionierung von vielen Achsen. Es stehen hierfür die Level NC PTP (Pointto-Point-Positionierung), NC I (linear und zirkular interpolierende Bahnbewegungen von Achsgruppen mit bis zu acht Antrieben) und CNC (Erweiterung der NC I um klassische CNC-Features für bis zu 32 interpolierende Achsen pro Kanal) zur Verfügung. TwinCAT Supplements TwinCAT-System System Manager TwinCAT CP TwinCAT I/O System Motion Communication Controller Building Automation TwinCAT PLC TwinCAT NC PTP TwinCAT NC I TwinCAT CNC TwinCAT