Generierung von Steuerungsprogrammcode für SPS und μc aus Petri-Netz-Modellen

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1 Fachhochschule Köln Cologne University of Applied Sciences Fakultät für Informations-, Medien- und Elektrotechnik Institut für Automatisierungstechnik Labor für Informations- und Automatisierungstechnik KURZFASSUNG ZUR BACHELORARBEIT Generierung von Steuerungsprogrammcode für SPS und μc aus Petri-Netz-Modellen Autor: Daniel Heppner Referent: Prof. Dr.-Ing. Stefan Kreiser Umfang: 81 Seiten Begriffe: MDD, Petri-Netz, ST, C, C++, Netlab, CPN Tools, Python, SPS, µc, XML, PNML Datum: 27. Juli 2010 Modellgetriebene Softwareentwicklung mittels Petrinetzen ermöglicht eine einfache Beschreibung komplexer, parallel arbeitender Systeme. Petrinetze können mit Hilfe mathematischer und graphentheoretischer Methoden hinsichtlich verschiedener Netzeigenschaften untersucht werden. So kann ein Algorithmus noch vor der Implementierung grafisch dargestellt, hinsichtlich verschiedener Eigenschaften untersucht und sogar simuliert werden. Diese grafisch erstellten und durch Simulation getesteten Systeme können dann in mathematischer Form dargestellt, automatisch in Software übersetzt und auf der gewählten Zielplattform ausgeführt werden. Zur automatischen Generierung von ST-Code wurde im Rahmen einer Diplomarbeit ein Werkzeug erstellt. Es wurde in der Skriptsprache Python implementiert und besitzt die Fähigkeit, mit dem Petri-Netz-Editor Netlab erstellte Netze einzulesen und daraus ST-Code nach IEC EN zu erzeugen. Das Eingangs- und Ausgangsverhalten des Netzes wird bei der Generierung berücksichtig. Die Architektur wurde so konzipiert, dass PNcompile leicht um neue Funktionen erweitert werden kann. In dieser Bachelorarbeit werden neue Anforderungen an den Codegenerator gestellt: Der Codegenerator soll einen weiteren Editor CPN Tools unterstützen. Der Compiler soll um die Zielsprachen C und C++ erweitert werden, was die Ausführung von Petri-Netzen auf vielen neuen Zielplattformen ermöglicht. Zudem soll ein allgemeines, funktionsbasiertes Aktionskonzept für Petri- Netze ausgearbeitet und implementiert werden. Im Rahmen dieser Spezifikationen werden bestehende Konzepte und existenter Quellcode aufgegriffen und an die neuen Anforderungen angepasst. Da am Zielcode immer wieder kleinere Anpassungen notwendig sein können, liegt dieser nun in Form von Templates vor. Der generierte C- und C++-Programmcode ist standardkonform nach ISO/IEC 9899:1990 bzw. ISO/IEC 9899:1999. Optional können Aktionsfunktionen in allen Zielsprachen beim Schalten von Transitionen oder bei bestimmten Markierungssituationen im Netz ausgelöst werden.

2 i Inhaltsverzeichnis 1 Einleitung Modellgetriebene Softwareentwicklung Ziele der Arbeit Grundlagen Modellgetriebene Softwareentwicklung Petrinetze Petrinetze mit individuellen Marken Steuerungstechnisch interpretierte Petrinetze Aktionen Statecharts Petrinetze Objektorientierte Darstellung von Petrinetzen Petri Net Markup Language CPN Tools XML XML-Namensraum XML-Elemente Zielsprachen ST nach IEC EN ANSI C ISO C Werkzeuge GNU Compiler Collection Xcode Visual Studio 2008/ Entwicklungsumgebung Python LXML-Toolkit Implementierung von Petrinetzen Allgemeine Implementierung ST nach IEC EN ISO C... 18

3 ii 3.4 ISO C Aktionskonzept für Petrinetze Einführung Syntax Architektur Implementierung in ST für SPS Implementierung in ANSI C Implementierung in ISO C PNcompile Generierung von Steuerungsprogrammcode Anforderungen Architektur GUI Generator Parser Compiler Linker Parsen von Petrinetzen Parser Erzeugen von Nebenbedingungen Entfernen der Eingangsstellen Konvertieren von Inhibitorkanten Konvertierung von Stellenkapazitäten Aktionen CPN-Netzhierarchie Pages Codegenerierung Generieren von SPS-Code Codegenerierung mit Templates Generieren von C-Code Generieren von C++-Code Hierarchische Netze Zusammenführen mehrerer Netze Verifikation Verifizieren des Compilers Verifizieren des generierten Codes... 65

4 iii SPS-Code C-Code Verifizieren des C++-Codes Einsatz von PNcompile Bedienung Anmerkungen Zusammenfassung und Ausblick Anhang A: Klassendiagramme A.1 Petrinetz A.2 Parser A.3 Compiler Anhang B: Einrichtung der Werkzeuge B.1 Python und lxml B.2 Aptana Studio B.3 PyQt Installation von SIP Installation von PyQt Abbildungsverzeichnis Literaturverzeichnis... 76

5 1 1 Einleitung 1.1 Modellgetriebene Softwareentwicklung Modellgetriebene Softwareentwicklung mittels Petrinetzen ermöglicht eine einfache Beschreibung komplexer, parallel arbeitender Systeme. Petrinetze können mit Hilfe mathematischer und graphentheoretischer Methoden hinsichtlich verschiedener Netzeigenschaften untersucht werden. So kann ein Algorithmus noch vor der Implementierung grafisch dargestellt, hinsichtlich verschiedener Eigenschaften untersucht und sogar simuliert werden. Der Netzentwurf und die Netzanalyse werden durch eine Reihe zum Teil freier Tools unterstützt. Je nach Tool ist es nicht nur möglich Petrinetze grafisch zu erstellen, sondern auch hinsichtlich verschiedener Eigenschaften zu analysieren. Einige Tools unterstützen die Bewertung der ermittelten Netzeigenschaften hinsichtlich problematischer Situationen. Die Funktionen reichen von grafischer Simulation über mathematischer Untersuchung des Netzes bis hin zur Berechnung von Erreichbarkeitsgraphen. Erreichbarkeitsgraphen können textuelle oder oft auch grafisch dargestellt sein. Darüber hinaus können erstellte Netze in ein zumindest in den wesentlichen Notationen standardisiertes Austauschformat exportiert und mit anderen Werkzeugen wieder eingelesen werden. (Franke, 2010) Diese grafisch erstellten und durch Simulation getesteten Systeme können dann in mathematischer Form dargestellt, automatisch in Software übersetzt und auf der gewählten Zielplattform ausgeführt werden. Die grafische Darstellung bietet eine hohe Abstraktion und ist meist unabhängig vom Zielsystem. Der generierte Code muss aber oft noch an die Zielplattform angepasst werden. 1.2 Ziele der Arbeit Ziel dieser Arbeit ist es, den bestehenden Codegenerator PN2SPS um einige Funktionen zu erweitern. Bisher war es möglich mit PN2SPS PNML-basierte Petrinetze einzulesen und daraus lauffähigen ST- Code für speicherprogrammierbare Steuerungen zu erzeugen. Der Codegenerator soll neben PNML-basierten Petrinetzen auch durch CPN Tools erstellte Petrinetze einlesen und verarbeiten können. CPN Tools ist ein weit verbreiteter Petrinetz-Editor zum Erstellen gefärbter Petrinetze und hat umfangreiche Funktionen zur Netzanalyse. Die Codegenerierung soll um die Zielsprachen C und C++ erweitert werden. C- und C++-Programme können für nahezu jede rechnerbasierte Hardware kompiliert und darauf ausgeführt werden. Im Zuge dieser Erweiterungen und Anpassungen ist ein Redesign der grafischen Benutzeroberfläche notwendig. Da der Compiler nicht mehr nur die Erzeugung von ST-Code unterstützt, wird PN2SPS in PNcompile umbenannt. Des Weiteren soll ein allgemeines, funktionsbasiertes Aktionskonzept für Petrinetze entworfen und implementiert werden. Das Aktionskonzept soll Aktionstypen aus Statecharts in Petrinetze integrieren. Dabei soll jede Aktion in jeder Zielsprache beliebige Anweisungen ausführen können. Dafür ist eine neue Notation für Aktionen in Petrinetzen notwendig, die in dieser Arbeit definiert wird.