Die objektorientierten Features

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1 22 Martin Paulick Die objektorientierten Features Bislang konnten Applikationsingenieure bei der Verwendung von IEC Engineeringtools keine objektorientierten Lösungen erstellen. Mit der Erweiterung des IEC Sprachumfangs um entsprechende Features hat sich die Situation geändert. Das Beispiel Fernwirktechnik zeigt, welcher Mehrwert sich daraus ergibt. Für die Aufgaben der Fernwirktechnik stehen mit Modbus, DNP3 und der IEC Kommunikationsprotokolle zur Verfügung, die sich sowohl technisch unterscheiden, als auch global eine unterschiedliche Verbreitung gefunden haben. Für die Schutz- und Leittechnik in elek- Gelungene Alternative Kleinsteuerung auf dem S7-300-Niveau ISH rüstet diese Kompaktsteuerung auf Basis einer Soft-SPS unter ProConOS mit vielen I/O-Schnittstellen und leistungsstarker Programmiertechnik Multiprog aus. L-Bus, Profibus/CANopen und Ethernet sind Standard. Das Hutschienenmodul bewährt sich bereits unter Extrembedingungen bei C imbergbau und der Bahntechnik. Kompetenzschwerpunkt Sicherheitsgerichtete Steuerungen Testen Siedas Starterkit mitgrundmodulund digitalemi/o-modulzum kleinenpreis. ISHIngenieursozietätGmbH Johannespfad 12 D Kreuztal Telefon +49(0) 2732/ Telefax +49(0) 2732/ info@ish-gmbh.com

2 trischen Schaltanlagen der Mittel- und Hochspannungstechnik wurde im Jahr 2004 die Norm IEC als globaler Standard veröffentlicht. Auf dieser Basis erfolgte Ende 2006 die Definition der IEC zur Kommunikation beziehungsweise Überwachung und Steuerung von Windenergie-Anlagen. Im Gegensatz zu den drei erstgenannten Normen, welche einen signalorientierter Ansatz verfolgen, basieren die beiden letztgenannten auf einem objektorientierten Ansatz. Die IEC wie auch die IEC eignen sich daher ideal für die Umsetzung in einer objektorientierten Programmiersprache. Im Umfeld der Fernwirktechnik kommen beispielsweise Steuerungen des Wago-I/O-Systems zur Überwachung von mechatronischen Einheiten oder als Gateway zu anderen Feldbussen wie Profibus zum Einsatz. Für die Erweiterung des Portfolios um eine IEC Lösung wurde die Implementierung eines IEC61850-Servers in verschiedene WagoSteuerungen evaluiert, welche dann mit dem in der Leittechnik enthaltenen Client kommunizieren. Nachfolgende Ausführungen beschreiben die Portierung der unter Codesys V2.3 der IEC-61131Programmierumgebung des Herstellers Modell eines intelligenten elektronischen Gerätes (IED) gemäß IEC 61850: Die Grafik stellt die Projektion von realen Anlagenteilen auf das SoftwareObjekt und den Datentransport über das Ethernet-Netzwerk dar. 3S Smart Software Solutions erstellten klassisch prozeduralen Lösung für das Wago-I/O-System Serie 750 hin zu einer unter Codesys V3 erstellten objektorientierten Lösung für das dezentrale Speedway-IO-System. Der Standard definiert im Wesentlichen ein objektorientiertes Datenmodell sowie Aktionen auf das Datenmodell und das Kommunikationsmodell. Im Datenmodell sind Logical Name Classes (92 verschiedene LNCs) definiert, welche ihrerseits wieder Common Data Classes enthalten. Diese Common Data Classes (29 verschiedene CDCs) enthalten letztendlich Attribute (zehn verschiedene CDA) wie etwa Zeichenketten, ganze Zahlen oder Gleitkommma-Zahlen. Aktionen auf das Datenmodel sind beispielsweise Gerät identifizieren, Datenmodel auslesen, Daten lesen oder Daten schreiben. Als mögliche Kommunikationsmodelle für die IEC sind schließlich MMS, Web-Services oder OPC-UA denkbar. Umgesetzt und verfügbar ist bis dato allerdings erst MMS als Kommunikationsmodell. MMS steht für Manufacturing Message Specification und ist als Protokoll im Standard ISO 9506 definiert. In Codesys V2.3 ist eine Umsetzung sowohl klassisch prozedural als auch eingeschränkt objektorientiert möglich. Bei dem klassisch prozeduralen Ansatz kann die Trennung von Daten und Funktion erfolgen, indem für alle LNCs strukturierte Datentypen erstellt werden. Funktionen 23 Zuverlässig. Präzise. Innovativ. Ihr Automatisierungs-Partner für individuelle, kosteneffiziente Kundenlösungen. (Bilder: Wago) bh Kreuztal m _03BO8_023_CA-0809.ps;S: 1;Format:( x mm);03. Aug :50:18 Grossenbacher Systeme AG 8/09 CH-9008 St. Gallen D Hanau

3 24 Objektorientierte IEC Server-Lösung in Codesys V3: Durch Verwendung der objektorientierten Spracherweiterungen für Vererbung (EXTENDS und SUPER^) lässt sich der Code-Umfang in den Methoden der dargestellten IEC Klasse deutlich reduzieren. Ich persönlich berate Sie über alle Fragen zum Thema wireless automation, wie die geeigneten Funktechnologien und Steuerungskonzepte bis zur Inbetriebnahme vor Ort. Vertrauen Sie auf die Kompetenz und die Erfahrung sowie die persönliche individuelle Beratung. Schildknecht AG Haugweg 26 D Murr Telefon: 07144/ Fax: 07144/ Internet: können dann auf die Datentypen zugreifen und diese manipulieren. Eine eingeschränkt objektorientierte Lösung ist mit dem Ansatz der Funktionsbausteine realisierbar. Dabei sind die strukturierten Daten der Logical Node Classes im Funktionsbaustein gekapselt und lassen sich über den Aufruf des Funktionsbausteins oder den Aufruf einer Aktion auf dem Funktionsbaustein bearbeiten. Eine Schwäche der Codesys-Version 2.3 ist hierbei, dass Aktionen keine IN_OUT-Parameter (call by reference) übergeben werden können und Aktionen SPS-Störungsursachen schnell analysieren Funkanwendungen in der Automatisierungstechnik sind hoch komplexe Aufgabenstellungen. Mit unserem Produkten DATAEAGLE bieten wir seit über 10 Jahren Datenfunksysteme, u. a. für Profibus, an und können damit geschlossene Regelschleifen und failsafe Anwendungen über eine Funkstrecke realisieren. In mehreren Tausend erfolgreichen Projekten bewähren sich unsere Produkte tagtäglich in den schwierigsten industriellen Einsatzfällen und Umgebungen. Dabei setzen wir alle Funktechnologien in praktisch allen Frequenzen ein. auch über keine lokalen Variablen verfügen. Zwar lässt sich die fehlende Möglichkeit, IN_OUT-Parameter zu übergeben, durch die Übergabe eines Pointers umgehen; es gibt jedoch Applikationsingenieure, die Pointer Thomas Schildknecht (Dipl.-Ing.) generell vermeiden. Auch gibt es Firmen beziehungsweise Projekte, in deren Codierrichtlinien die Verwendung von Pointern untersagt ist. In der Version 3 von Codesys hat 3S die genannten Schwächen mit der Spracherweiterung Methode abgestellt. Methoden erweitern das Konzept von Aktionen dahingehend, dass sie auch lokale Variable enthalten können und es möglich ist, IN_OUT-Parameter zu übergeben. Ein vom Anwender mit der Wago Codesys-Bibliothek erstelltes SPS-Programm verwendet typischerweise mehrere Objekte verschiedener Logical Node Classes. Dazu ist innerhalb der Bibliothek eine Iteration über die Instanzen der verschiedenen Logical Node Classes erforderlich. Ein Vorgang, der in Codesys V2.3 ebenfalls aufwendig mit einem Array von Pointern realisiert wurde. Mit dem Interface-Mechanismus der Version 3 gelingt dies wesentlich einfacher. Dabei implementieren mehrere Klassen das gleiche Interface, zum Beispiel alle LNC die Methode Read. Die Methode lässt sich jetzt einfach aufrufen, ohne dass der Programmierer darüber nachdenken beziehungsweise extra Code schreiben muss. Ohne dieses Feature müsste der Funktionsaufruf für jede der Klassen einzeln codiert werden. In einer zukünftigen Erweiterung möchte 3S das derzeit implementierte Kommunikationsmodel MMS durch Web-Services ersetzen. Bei der Version 2.3 bestünde der Lösungsansatz für die Erweiterung um ein neues Kommunikationsmodel darin, zwei Kommunikationsbibliotheken mit gleichem Interface zu erstellen. Zum Übersetzungszeitpunkt würde dann die eine oder andere Bibliothek verwendet. Auch diese Problematik lässt sich mit dem Interface Mechanismus der Version 3 wesentlich einfacher lösen, da der Code dann beide Kommunikationsmodelle beinhalten kann. Eine flexiblere Lösung entsteht dadurch, dass die Entscheidung, ob über MMS oder Web-Services kommuniziert werden soll, zur Laufzeit des SPS-Programms verschoben werden kann. Noch eine Schwäche von Codesys 2.3: Im Datenmodel der IEC erben die spezifischen Logical Node Classes von einer Basisklasse eine Anzahl von Common Data Classes. In der Version 2.3 sind diese Daten in jedem spezifischen Typ einer LNC erneut zu definieren und die Funktionalität in den Aktionen erneut zu pro- 8/09.

4 25 grammieren. In der Version 3 entfällt dieses durch Nutzung des Vererbungsmechanismus (Spracherweiterung EXTENDS Stichwort: copy & paste). Klassich versus objektorientiert Das Prinzip der objektorientierten Programmierung, welches Codesys V3 zugrunde liegt, ist die Kapselung von Daten (Attribute) und Operationen (Methoden) in einem Objekt. Die Idee rührt daher, dass man Real World Objects auf Software-Objekte abbilden möchte also zum Beispiel ein Objekt Lasttrenner mit dem Attribut Öltemperatur und den Methoden Öffnen/Schließen. Dagegen steht der frühere Ansatz der prozeduralen Programmierung für eine Trennung von Daten und Operationen. Merkmale, die von objektorientierten Sprachen unterstützt werden, sind Klassen, Methoden, Polymorphie, Schnittstellen sowie Speicherverwaltung Neben Codesys gibt es weitere objektorientierte Sprachen, die sich jedoch im Automatisierungsumfeld bis dato nicht auf breiter Front durchgesetzt haben. für Instantiierung und Zerstörung von Objekten zur Laufzeit. Dabei muss eine Sprache nicht notwendigerweise all diese Merkmale unterstützen, damit sie als objektorientiert gilt. Die objektorientierten Möglichkeiten bringen aber nicht nur dem Maschinenund Anlagenbauer Vorteile; auch die Hersteller von Automatisierungsgeräten profitieren davon. Diese haben typischerweise sowohl ein Gerät im Programm als auch ein skalierbares Hardware-Portfolio, um dem Anwender eine individuelle Lösung für seine Leistungsanforderungen bieten Sprachen und ihre Merkmale zu können. Mit den erweiterten Möglichkeiten von Codesys lassen sich jetzt mehr Funktionalitäten aus der Firmware der Geräte in die IEC Softwarelösungen verlagern, die unmittelbar auf allen Geräten des Herstellers lauffähig sind. Dies verkürzt Entwicklungszeiten und erhöht die Flexibilität. Im Fall der eingangs erwähnten Telecontrol-Lösung war der Umstieg von der Version 2.3 auf Version 3 der Codesys- Entwicklungsumgebung auf einfache Art über die automatische Konvertierung des Projektes möglich und die Lösung auf der CoDeSys v2.3 CoDeSys v3 C#/Java Smalltalk Prozedural + + Objektorientierung Klassen (FB) Abstrakte Klassen + Konstruktor+Destruktor Methoden (Aktionen) Polymorphie Sichtbarkeit (Variablen) (Variablen) + + Properties + Interfaces + + New Operator + + cifx reduziert auf das Maximum für Feldbus cifx PCI und PCI Express basierend auf der netx Technologie. Jetzt für CANopen, DeviceNet und PROFIBUS lieferbar. info@hilscher.com

5 26 Die offizielle Tageszeitung zur SPS/IPC/DRIVES 2009 HERAUSGEGEBEN VON Eine wertvolle Informationsquelle, die gute Orientierung gibt! Johann Thoma, Geschäftsführer Mesago Messemanagement GmbH Veranstalter der SPS/IPC/DRIVES neuen Plattform unmittelbar lauffähig. Für die Aufgabenstellung eigneten sich hier besonders die folgenden objektorientierten Änderungen: Das IEC Klassenmodel spiegelt sich direkt in der objektorientierten Softwarestruktur wieder. Das bedeutet, dass zum Beispiel ein realer Lasttrenner direkt auf die Klasse XCBR abgebildet wird, was für Circuit Breaker steht. Alle IEC Logical-Node-Classes beinhalten grundlegende Funktionalitäten einer Basisklasse. Damit sind nur noch die spezifischen Funktionen zu implementieren. Codesys stellt mit der speziellen Methode FB_Init einen Konstruktor-Mechanismus zur Verfügung. Diese Methode wird automatisch bei der Erzeugung des Objektes genau einmal aufgerufen. In der genannten Anwendung dient dieser Mechanismus zur Initialisierung der typspezifischen Eigenschaften der abgeleiteten Klassen. Wie bereits erwähnt, ist MMS eine erste Umsetzung des IEC Kommunikationsmodels. Mit Blick auf die weiteren denkbaren Realisierungen hinsichtlich Web-Services oder OPC-UA ist beim Design der Kommunikationsanschaltung als Interface später eine Anschaltung einfach gegen die andere austauschbar. Die objektorientierten Erweiterungen in Codesys verfolgen letztlich das Ziel, dem SPS-Programmierer die Wahlfreiheit zu bieten, ob er die Aufgabenstellung durchgängig klassisch, durchgängig objektorientiert oder auch gemischt umsetzen möchte. Die objektorientierte Lösung bietet jedoch klare Vorteile zum Beispiel die höhere Wartbarkeit des Codes durch die Kapselung von Daten und Operationen innerhalb von Objekten. Der Mechanismus der Vererbung unterstützt den Entwickler auch hinsichtlich einer einfacheren Erweiterbarkeit der Lösung. Im skizzierten Fallbeispiel lassen sich weitere Logical Node Classes ohne viel Copy & Paste ergänzen. Das Merkmal der Interfaces unterstützt den Entwickler zudem bei der Ergänzung um weitere Kommunikations-Mappings. Mit einer zukünftigen Integration von UML-Editoren in die Entwicklungsumgebung wird die objektorientierte Erweiterung der IEC einen weiteren Schub erfahren. Im Rahmen dieses Schrittes hin zur ausführbaren UML wurden innerhalb eines Forschungsprojektes an der Universität Kassel Editoren für Klassen-, Zustands- und Aktivitätsdiagramme erstellt, die sich als Plug-In nahtlos in Codesys einbetten. Die Editoren arbeiten dabei direkt auf dem Datenmodell der Entwicklungsumgebung, so dass keinerlei manueller Abgleich zwischen den UML-Editoren und dem IEC Code notwendig ist. Dies ermöglicht letztlich einen breiteren Einsatz von Codesys vom objektorientierten Design, über die Implementierung und Inbetriebnahme bis hin zur Visualisierung. gh Martin Paulick Erscheinungstermine: Anzeigenschluss: 24. November November November 2009 (für alle 3 Ausgaben) 26. November 2009 Kontakt: Computer&AUTOMATION Mediaberatung Tel.: Fax: media@computer-automation.de ist Produktmanager für Engineering-Software und Telecontrol-Lösungen bei Wago Kontakttechnik. 8/09.