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<H1>www.aud24.net : M. Buchwitz: "Neue Strukturen in der Steuerungstechnik"</H1>
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Redaktion
> <B><FONT color="#CC3300">Fachbeiträge</FONT></B></TD>
<TD ALIGN=right VALIGN=bottom CLASS=detailDatum>11.12.2000</TD>
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<TD VALIGN=top CLASS=detailSubtitel>Ein Programm für die gesamte Anlage - das Netz wird zur Steuerung</TD>
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<TD VALIGN=top CLASS=detailContent>Vorwort<BR><BR>Die Steuerungstechnik befindet sich im Umbruch. Aus der IT-Welt drängen Technologien in die Automatisierung, vor allem aber muß dem drastischen Anstieg der Softwarekosten entgegengewirkt werden. JetWeb setzt IT-Technologien konsequent in die Automatisierungstechnik um. Nur so können die dringend notwendigen neuen Steuerungsstrukturen geschaffen werden. <BR><BR><BR>Zuverlässig verrichtet die SPS seit vielen Jahren Ihren Dienst. Zuverlässig waren jedoch auch die jährlichen Kostensteigerungen im Bereich Programmierung und Inbetriebnahme. Alle Versuche, die klassische SPS-Technologie zu verbessern brachten lediglich Teilerfolge, die nicht mit den ständig steigenden Anforderungen der Automatisierungstechnik Schritt halten konnten. Die Jetweb-Technologie leitet einen Technologiesprung ein. Seine Kennzeichen sind die grafische, prozessnahe Programmierung und die Verschmelzung der Netzebenen. Nicht eine einzelne Steuerung, sondern die gesamte Anlage wird als Einheit betrachtet. Programmierung und Strukturen sind dabei radikal vereinfacht.<BR><BR><BR> <BR><BR>Die klassische Steuerungsstrukturen sind überfordert<BR><BR>Das Bild der Steuerungstechnik ist geprägt von Dezentralität. Die Steuerung ist in einzelne Inseln aufgeteilt und wandert immer mehr in Drives und Bediengeräte. Neben dem Vorteil des geringeren Verdrahtungsaufwandes gibt es jedoch einen gravierenden Nachteil: die Strukturen sind nicht dafür geschaffen. Mit aufwendiger Programmierarbeit müssen Programm- und Datensynchronität hergestellt werden. Bis zu vier unterschiedliche Netzebenen sind notwendig um diese Dezentralität zu realisieren. Sowohl der Aufwand für die Programmierung des horizontalen Datenverkehrs zwischen den Steuerungsinseln als auch der in vertikaler Richtung zum Leitrechner oder zur Büro-EDV explodiert förmlich. Aus diesem Sachverhalt ergeben sich folgende Probleme:<BR>Daten müssen, um vom Sensor zur Leitebene zu gelangen, mehrere CPUs mit unterschiedlichen Treibern durchlaufen. Niedrige Geschwindigkeiten, fehlende Transparenz und hoher Software- und Wartungsaufwand sind die Folge.<BR>Es kann nicht jede Steuerung jederzeit mit jeder andern kommunizieren. Entweder muß ein einzelner Master den gesamten Datenverkehr organisieren, oder es gibt eine Tokenverwaltung. In beiden Fällen kann von Echtzeit und hohen Durchsätzen keine Rede mehr sein, ganz abgesehen vom Programmier- und Wartungsaufwand.<BR>Am schwierigsten zu handeln sind Kombinationen aus vertikalem und horizontalem Datenverkehr. Beispiel: Steuerung A braucht Informationen aus einem Remote-IO, welches an Steuerung B angeschlossen ist. Dies ist konventionell in Echtzeit kaum realisierbar.<BR>Es gibt keine „Instanz“ für steuerungsübergreifende Logik, keine sogenannten Kopfprogramme. Alle Steuerungsinseln arbeiten autark und tauschen nur Daten mit begrenzter Geschwindigkeit aus. Ereignisse und logische Abläufe, welche linienübergreifende Bedeutung haben, können nur mit viel Aufwand verarbeitet und synchronisiert werden.<BR>Jede Steuerungsinsel verwaltet einen eigenen lokalen Datenpool. Globale, also netzübergreifende Daten gibt es nicht. Klassische SPS-Steuerungen und Feldbusse sind mit diesen Aufgaben überfordert. Auch Trends wie Industrie-PC, OPC und Ethernet bringen nur marginale Verbesserungen, solange sie in die alten Strukturen eingebettet sind.<BR>Genau da aber liegt die Innovationskraft der Jetweb-Technologie: sie implementiert dezentrale Strukturen in die Steuerungstechnik, indem sie die bekannten Techniken aus der IT-Welt schnell, echtzeitfähig und deterministisch macht. Neben den großen Vorteilen einer echt dezentralen Struktur wird dadurch auch eine Einbettung in die IT-Welt erreicht, welche eine Durchgängigkeit vom Sensor bis zum Internet ohne Zusatzaufwand wie Protokollumsetzung etc. erlaubt.<BR>Programmierung und Vernetzung sind die zentralen Punkte der Jetweb-Technologie. Grafisches Programmieren in prozessnaher Darstellungsweise sowie die Auflösung sämtlicher Kommunikationsbarrieren innerhalb der Steuerungswelt erleichtern das Engineering erheblich. Es wird nicht eine Steuerung, es wird die Anlage programmiert.<BR><BR><BR><BR>Jetweb - die Technologie nach der Feldbus-Ära<BR><BR>Eine Produktionslinie kann beim Jetweb bezüglich Programm und Daten als Einheit betrachtet werden - auch dann, wenn physikalisch viele Steuerungen und andere Endgeräte beteiligt sind. Es spielt keine Rolle mehr, welcher Programmteil oder welches Objekt auf welcher CPU im Netz ausgeführt wird. Selbst Aktoren können zu solchen „Objektcontainern" werden. Deshalb ist es auch nicht relevant, an welche Hardwareplattform beispielsweise Sensoren, Aktoren oder Servoachsen angeschlossen sind. Proprietäre Steuerungen, PC-basierende Soft-SPS, Bediengeräte oder Servoverstärker: alle sind sie Teile des virtuellen Netzes und haben Zugriff in harter Echtzeit auf alle Informationen im Verbund. Hardwaregrenzen entfallen komplett. Möglich wird dies nur durch ein schnelles Netz, welches als virtueller Datenserver fungiert, aber auch Objekte transparent und intelligent austauscht. Die Daten befinden sich also logisch auf dem Netz; somit hat jeder Teilnehmer direkten Zugriff auf alle Daten. Die Zugriffsgeschwindigkeit auf diese Daten entspricht dabei der in SPSen üblichen Update-Rate für das Prozessabbild. Somit gibt es keinen qualitativen oder logischen Unterschied mehr zwischen lokalen Daten (zum Beispiel einem an der lokalen SPS angeschlossenen Eingang) oder globalen Daten (ein Eingang, der an einer andern Steuerung angeschlossen ist).<BR><BR>(Abbildung 1)<BR><BR><BR>Globale Daten und linienübergreifende Programme<BR><BR>Globale Daten bedeuten unter anderem, daß der gesamte Aufwand für Datenübertragung, Datenabgleich oder Steuerungssynchronisation entfällt. Ebenso können linienübergreifende Programme (Tasks) geschrieben werden, die zwar physikalisch auf einer der beteiligten Hardwareplattformen ausgeführt werden, logisch aber die gesamte Linie betreffen. Beispiel: ein Ereignis (z.B. ein Fehler) in Anlagenteil 2 muß eine Reaktion (z.B. kontrolliertes Stoppen) in Anlagenteil 1 auslösen.<BR><BR>((Abbildung 2))<BR><BR>Nur Ethernet bietet die Performance um das Netz als virtuellen Datenserver zu betreiben.<BR><BR>Voraussetzung für ein solches dezentrales, aber gleichzeitig echtzeitfähiges und deterministisches Konzept ist eine Netztechnologie, welche in Ihrer Leistungsfähigkeit mindestens eine Zehnerpotenz über der von eingeführten Feldbussen liegt. Damit ist auch klar, warum in der klassischen SPS-Technologie diese konsequente Dezentralisierung nicht möglich ist: die Feldbusse haben nicht die dafür notwendige Performance.<BR>Von allen intensiv untersuchten Netztechnologien hat sich das Ethernet als Ideallösung erwiesen. Alle notwendigen Voraussetzungen sind erfüllt:<BR> <BR>· hohe Übertragungskapazität (derzeit bis 100 Mbit/s) mit Reserven für zukünftige Anforderungen<BR>· hohe Übertragungssicherheit und Zuverlässigkeit<BR>· Deterministisch bei Verwendung der Switch-Technologie<BR>· Nahezu keine Einschränkung bezüglich Netztopologien<BR>· Übertragungsmedien: Twisted-Pair, LWL, Koax<BR>· Nahezu unbegrenzte Netzausdehnung bei Verwendung von Switches<BR>· etablierter Standard - hohe Verfügbarkeit der Komponenten<BR>· Anbindung an die Welt der Informationstechnologie, eingeführter „Weltstandard" TCP/IP<BR>· Wahlfreier Zugriff über das gesamte Netz<BR>· niedrige Kosten pro Anschaltung und für das Gesamtsystem<BR>· Weltweit wird hoher Aufwand bezüglich Weiterentwicklung betrieben<BR><BR>Bei den konkreten Produkten kann eigentlich nicht mehr von klassischen Steuerungen die Rede sein. Denn die klassischen Steuerungsstruktur, bestehend aus CPU und über internen Systembus verbundene Slavemodule, existiert bei Jetweb nicht mehr. Bei Jetweb wird das Ethernet in die Steuerung hineingeführt und ist somit gleichzeitig auch Systembus zwischen den intelligenten Controllermodulen. Es gibt keine Unterschiede mehr zwischen internem und externem Datenverkehr. Das Netz ist die Steuerung!<BR>In jedem System ist ein Switch integriert. Dieser trennt den internen vom externen Datenverkehr durch Trennung der Adressräume. Jedes intelligente Modul kann auch stand-alone im Netz arbeiten, da Programmsegmente des gesamten Anlagenprogramms durch den Compiler auf die einzelnen Komponenten verteilt werden. Jedes Modul arbeitet also einen Teil dieses Gesamtprogramms ab. Die Verteilung des Programms erfolgt durch den Compiler nach Optimierungskriterien, um die sich der Anwender jedoch nicht kümmern muß.<BR><BR>(Abbildung 3)<BR><BR><BR>Grafische Programmierung - Flußdiagramm orientiert<BR><BR>Die verbreitetste und übersichtlichste Form der Darstellung von Abläufen ist das Flußdiagramm. Bisher wurde diese Darstellungform für die Programmvorbereitung oder Dokumentation eingesetzt. Diese Zwischenstufe entfällt mit Jetweb: es wird sofort in Flußdiagramm programmiert. Ein Flußdiagramm erlaubt die prozessnahe Darstellung der Anlage. Eine Umsetzung in steuerungsspezifische Darstellung entfällt für den Programmierer. Der Programmeditor erlaubt die Kombination von grafischer und textueller Eingabe. Dies ermöglicht es dem Programmierer die Vorteile beider Eingabearten individuell einzusetzen. Die Flussdiagramme selbst können dabei in beliebig viele Detaillierungsstufen münden, an deren jeweiligen Enden dann Ausführungselemente in textueller Form stehen können. Mit anderen Worten: jeder Flußdiagrammblock kann sich durch Doppelklicken in ein unterlagertes Flussdiagramm öffnen. Durch diese Multilayer-Programmierung wird maximale Übersichtlichkeit garantiert.<BR>Multitasking macht es möglich, einzelne Anlagefunktionen voneinander unabhängig zu programmieren. Jetweb erlaubt beliebig viele Tasks und Untertasks (Threads). Nach dem Übersetzen des Flußdiagramms in einen Zwischencode entscheidet der Compiler dann mit Hilfe von Performance- und Netzoptimierungskriterien, welcher Task auf welche Hardwareplattform innerhalb der Anlage geladen wird. Der Programmierer hat die Möglichkeit, nach Wunsch die Verteilung zu beeinflussen.<BR><BR>(Abbildung 4)<BR><BR><BR>Objektorientiert<BR><BR>Objektorientiertes Programmieren bedeutet, daß ein Funktionsobjekt innerhalb einer Anlage nur ein einziges Mal definiert werden muß. Dasselbe Objekt kann dann für alle entsprechenden Funktionen innerhalb der Anlage verwendet werden. Wird zum Beispiel das Objekt Servoachse definiert (dessen Funktion und seine Eigenschaften) und die Anlage enthält zwölf Servoachsen, so ist eine einmalige Objektdefinition ausreichend. Über den Namen erfolgt dann die entsprechende Zuordnung zu den zwölf verschiedenen Achsen. <BR><BR><BR>Simulation und Wartung der gesamten Anlage<BR><BR>Es ist nicht nur möglich die gesamte Anlage in einem Programm zu beschreiben, auch die Simulation des gesamten Ablaufs wird mit Jetweb Realität. Dies bringt eine deutliche Verkürzung von Inbetriebnahme- und Debugzeiten. Programme können parallel zur Fertigstellung der Anlage getestet werden, so daß sich die Inbetriebnahme im Wesentlichen auf die eigentliche Prozesstechnik und die Hardware reduziert. Auch die Fernwartung von jedem beliebigen Platz auf der Welt über Internet oder Modem ist automatisch Teil von Jetweb.<BR><BR><BR>Jetweb im Überblick<BR> <BR>Erst wenn die Strukturen den modernen Anforderungen entsprechen hat der Anwender davon einen spürbaren Nutzen. Jetter ist mit seiner Jetweb-Technologie diesen mutigen aber notwendigen Schritt gegangen. Das Ergebnis:<BR>· Die Anlage ist die logische Einheit, nicht die Steuerung<BR>· Übersichtliche und prozessnahe Programmierung durch Flußdiagramm, verschiedene Layers (Ebenen) machen das Programm übersichtlich<BR>· Kein Programmieraufwand für Datenkommunikation und Datensynchronisation durch internetähnliche Struktur, Netzwerkhierarchien verschmelzen zu einer Netzebene, das Datennadelöhr CPU entfällt<BR>· Lediglich ein Programm- und Datenpool für den Anwender, alle Daten werden im Netz nur einmal gehalten, das Netz arbeitet als virtueller Server<BR>· Ohne Zusatzaufwand Durchgängigkeit vom Sensor zum Internet<BR>· Datendurchgängigkeit von der Produktion zur Büro-EDV<BR>· Kompatibel zur IT- und Office-Welt<BR>· Maximale Flexibilität durch 100% kompatibles Ethernet als Netztechnologie<BR>· Offenheit durch Windows-NT, TCP/IP und OPC<BR>· Simulation der gesamten Anlage möglich<BR><BR><BR>Zusammenfassung und Ausblick<BR><BR>Jetweb stellt den logischen Schritt in eine neue Ära dar. Beschränkungen bestehender Strukturen und Systeme werden damit aufgehoben. Mit Sicherheit wird diese Technik, welche schon die IT-Welt revolutioniert hat, nun auch eine ähnliche Rolle in der Steuerungswelt spielen. Die Vorteile für den Anwender sprechen dafür. Immerhin ist mit dem Jetweb eine Reduzierung der Programmierzeit für Anlagen auf etwa ein Drittel des heute üblichen Niveaus zu erwarten. Gleichzeitig wird die Performance stark erhöht und die Wartung drastisch erleichtert. Dies ist ein Quantensprung, der einen Paradigmenwechsel einleiten wird.<BR><BR><BR><BR></TD>
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<P><I>Diese Seite wurde am 22.09.2006, 13:53 Uhr aktualisiert</I></P>
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