Ausarbeitung Projektarbeit - Teil 2

Ausarbeitung Projektarbeit - Teil 2 

Ausarbeitung Projektarbeit – Teil 2 

Objektorientierte Programmierung des 

Zulieferers mit CoDeSys V3 

Dominik Huth Te2b 

Dominik Huth Te2b Seite 1 von 11


Inhalt: 

1. Funktionsbeschreibung des Zulieferers 

2. Hardwareanbindung an die SPS 

3. Was ist EtherCAT? 

4. Vergleich Software- und Hardware-SPS 

5. SPS-Programm des Zulieferers 

a.) Verwendete Programmiersprachen 

b.) Bausteine und ihre Funktionen 

c.) Betriebsarten 

d.) Handshake mit MES2 

6. Objektorientierung in der SPS-Technik und Umsetzung in CoDeSys 

7. Neue Sprachmittel und Schlüsselwörter 

8. Schlüsselwörter für die oo-Programmierung in CoDeSys 

9. Erstellung von Varianten durch Vererbung 

10. Beispiel aus der Praxis für die oo-Programmierung in CoDeSys 

a.) Die Klasse Zylinder 

b.) Blick in den Baustein Zylinder (FB) 

c.) Blick in die Methode ausfahren 

11. Blick in den Baustein Hauptprogramm 

12. Aufruf der Klasse Zylinder 

1. Funktionsbeschreibung des Zulieferers 

Der Zulieferer ist 

mechanisch aus 3 

Lagern, die mit 

verschieden farbigen 

Bausteinen bestückt 

sind, einem 

Förderband, einer 

Antenne zum 

Beschreiben der RFIDs 

und einem Stopper 

aufgebaut. Er muss die 

Materialien für eine 

Charge (3 Bauteile) 

zum richtigen Zeitpunkt 

(„just in time“) und in 

der für die Fertigung 

benötigten Reihenfolge 

(„just in sequence“) 

bereitstellen. Die 

Fertigungsschritte 

werden vom MES2 über 

einen Handshake dem 

Zulieferer übergeben. 

Lager 1 

Antenne zum Beschreiben 

der RFIDs 

Förderband 

Lager 2 Lager 3 

Zylinder A 

Zylinder B 

Zylinder C 

Landstraße 

Stopper 

Bedienpult 



2. Hardwareanbindung an die SPS 

Für die Anbindung der Sensoren und Aktoren des Zulieferers wurde das I/O-Modul EK1100 

von der Firma Beckhoff ausgewählt. Das I/O-Modul kann individuell modular mit Ein- und 

Ausgangskarten erweitert werden. Über den Feldbus EtherCAT wurde das I/O-Modul mit 

dem PC verbunden auf dem die Soft-SPS CoDeSys Control Win V3 läuft. 

Eingangs- und 

Ausgangskarten 

Feldbus 

EtherCAT 

M 

Motor 

Lichtschanke 

3. Was ist EtherCAT? 

EtherCAT ist ein von der Firma Beckhoff entwickelter 

Feldbus. Ein Blick in das ISO-OSI-Model (Bild 

rechts) verrät die Verwandtschaft zum Ethernet. Der 

vom Master versendete Standard Ethernet Frame 

wird nicht wie bei anderen Industrial Ethernet 

Lösungen in jeder Anschaltung zunächst empfangen, 

dann interpretiert und die Prozessdaten 

weiterkopiert. Die EtherCAT Slave-Geräte 

entnehmen die für sie bestimmten Daten, während 

das Telegramm das Gerät durchläuft. Ebenso 

werden Eingangsdaten im Durchlauf in das 

Telegramm eingefügt. Das Übertragungsverfahren 

des EtherCAT beruht auf den Voll-Duplex 

Eigenschaften von Ethernet. Auf der 

Verkabelungsebene ermöglicht EtherCAT eine große 

Vielfalt von Topologien wie Linie, Baum, Ring, Stern 

und deren Kombinationen bei einer maximalen 

Leitungslänge von 100m zwischen zwei 

Teilnehmern. Es ist jedoch darauf zu achten, dass für EtherCAT spezielle Switche benötigt 

werden. 

Der exakten Synchronisierung kommt immer dann eine besondere Bedeutung zu, wenn 

räumlich verteilte Prozesse gleichzeitige Aktionen erfordern. Der Ansatz zur 

Synchronisierung ist der exakte Abgleich verteilter Uhren. Dabei wird die Uhrzeit der Haupt- 

Uhr via EtherCAT zu den Neben-Uhren übertragen und diese laufzeitkompensiert 

nachgeregelt. Bei EtherCAT ist die Haupt-Uhr in einem Slave-Gerät, so dass auch hierfür 

keine spezielle Hardware im Master erforderlich ist. 



4. Vergleich Software- und Hardware-SPS 

Die SPS ist im Falle einer Soft-SPS 

nur noch als Software vorhanden 

und nicht mehr mit einer getrennten 

Hardware. Soft-SPSen bieten die 

Möglichkeit, mehrere Tasks mit 

unterschiedlicher Priorität auf einer 

CPU laufen zu lassen. So können 

schnellere und langsame Prozesse 

getrennt werden. Das Zeitverhalten 

einer Soft-SPS ist im Vergleich zur 

Hardware SPS leicht verändert 

(siehe Zeichnung), weil die 

Steuerung nur eine Task innerhalb 

des Betriebssystems ist. Dies kann 

zu kleineren Differenzen in der 

Bearbeitungsdauer eines Zyklus der 

Steuerung führen. 

Software SPS 

Tasks der 

Anwenderprogramme 

lese PA 

schreibe PA 

Zyklus 

Betriebssystem 

Der Einsatz von Soft-SPSen hat einen wesentlichen kaufmännischen Vorteil, weil ein PC 

sowohl als Visualisierungsrechner, Programmiergerät und Automatisierungsgerät genutzt 

werden kann. Es sind nicht mehr drei verschiedene Geräte notwendig. Dies ist aber 

gleichzeitig der größte Nachteil. Die Sicherheit des Steuerungsprogramms auf einer PC- 

Hardware, auf der noch weitere Programme ablaufen, wird von vielen Fachleuten als 

unzureichend sicher gesehen. Ein weiterer Nachteil dieses Konzeptes ist es, dass ein 

dezentraler Aufbau einer Anlage nur sehr schwer realisierbar ist. Der Wunsch, die 

„Intelligenz“ auf verschiedenen Steuerungs-CPUs in der Anlage zu verteilen, ist nicht 

möglich. Die komplette Anlage wird von einem zentralen Punkt gesteuert. Fällt dieser 

zentrale Punkt aus, so ist die gesamte Anlage „tot“. 

CoDeSys enthält bereits eine Soft-SPS, welche es erlaubt einen Windows-PC für 

Steuerungsaufgaben zu nutzen. Der Anschluss an die Hardware ist über den Ethernet 

basierten Feldbus EtherCAT mit einer üblichen Netzwerkkarte realisiert worden. 

5. SPS-Programm des Zulieferers 

Das SPS-Programm besteht grundsätzlich aus drei Teilen: 

1. Der Betriebsartenbaustein nimmt die Befehle des Anlagenbedieners auf, verarbeitet diese 

und informiert ihn über den Zustand des Zulieferers. 

2. Bausteine für die Mechanikfunktionen 

3. Der Handshakebaustein kommuniziert mit dem übergeordneten MES Rechner. 

Im Zusammenspiel dieser Bausteine ergibt sich folgende Funktion des Zulieferers: 

Auftrag wird vom MES an die SPS gesendet => Handshake zwischen SPS und MES wird 

ausgeführt => ist die richtige Betriebsart vorhanden, wird der Auftrag vom Zulieferer 

bearbeitet => ist der Auftrag abgearbeitet, meldet die SPS das dem MES. 

5a. Verwendete Programmiersprachen 

Ablaufsprache (AS) 

Die Ablaufsprache ist eine der fünf IEC 61131-3 genormten Programmiersprachen. Die 

graphisch orientierte Sprache dient zur Programmierung von SPSen in Form von 



Zustandsmaschinen. Die Ablaufsteuerung ist eine geschlossene Kette von 

Steuerungsschritten mit angegliederten Aktionen und Transitionen. Jedem Schritt können 

Aktionen zugefügt werden. Man unterscheidet zwischen drei unterschiedlichen Aktionen 

„entry“ (wird beim Starten des Schrittes bearbeitet), „active“ (wird während des 

entsprechenden Schrittes bearbeitet) und exit (wird beim Verlassen des Schrittes bearbeitet). 

Aktionen und Transitionen können in einer der 5 Sprachen der IEC 61131-3 erstellt werden. 

Strukturierter Text (ST) 

Strukturierter Text ist die Sprache unter den IEC-Sprachen, die am engsten verwandt ist mit 

den sogenannten „höheren“ Programmiersprachen. ST ist die mächtigste, hinsichtlich des 

Speicherbedarfs jedoch nicht immer die effizienteste Sprache. 

5b. Bausteine und ihre Funktionen 

Hauptprogramm (PRG) 

Erstellsprache PRG: 

Strukturierter Text 

Funktion: Baustein zum Setzen der Attribute der FBs und zum Aufruf der FBs. 

Betriebsarten (FB) 

Erstellsprache FB: 

Ablaufsprache 

Erstellsprache Aktionen, Transitionen: Strukturierter Text 

Funktion: Baustein zur Steuerung der Betriebsarten Handbetrieb, 

Automatikvorwahl, Automatik und Störungen. 

Handshake (FB) 


Ablaufsprache 


Funktion: Baustein für den Handshake zwischen SPS und MES. 

Mechaniksteuerung (FB) 


Ablaufsprache 


Funktion: Baustein zur Steuerung der Mechanikfunktionen des Zulieferers. 

Zylinder (FB) 


Ablaufsprache 

Erstellsprache Methoden: 

Strukturierter Text 

Funktion: Baustein stellt die Klasse „Zylinder“ mit ihren Methoden dar. 

GVL_Zulieferer 

Globale Variablen des Zulieferers. Hier sind die Variablen für die Ein- und Ausgänge, sowie 

die Variablen für den Handshake mit dem MES2 deklariert. 

5c. Betriebsarten 

Grundsätzlich gibt es im Zulieferer vier verschiedene Betriebsarten. 

1. Handbetrieb (Wahlschalter am Bedienpult steht auf „Manu“; weiße Lampe am 

Bedienpult leuchtet) 

Im Handbetrieb kann durch das Betätigen des Start-Tasters am Bedienpult die 

Anlage „frei“ gefahren werden. Der Stopper wird dazu geöffnet und das Förderband 



nach links gefahren. So können Bausteine zum Beispiel nach einer Störung nach 

links aus der Anlage gefahren werden. 

2. Automatikvorwahl (Wahlschalter am Bedienpult steht auf „Auto“; grüne Lampe am 

Bedienpult blinkt) 

Wird der Wahlschalter am Bedienpult auf „Auto“ gestellt, gelangt man in die 

Betriebsart Automatikvorwahl. Durch betätigen des „Starttaster“ kommt man in die 

Betriebsart Automatik. 

3. Automatik (Wahlschalter am Bedienpult steht auf „Auto“; grüne Lampe am 

Bedienpult leuchtet) 

In der Betriebsart Automatik können Aufträge, die vom MES2 kommen, abgearbeitet 

werden. Folgende Aufträge wurden definiert: 

a.) Auftrag 0 => Der Handshake mit dem MES2 wird ausgeführt, jedoch 

werden keine mechanischen Aktionen angestoßen. 

b.) Auftrag 1 => Baustein wird aus dem Lager 1 auf das Förderband 

geschoben. Das Förderband befördert den Baustein bis zur Antenne an 

der der RFID des Bausteins beschrieben wird. 

c.) Auftrag 2 => Baustein wird aus dem Lager 2 auf das Förderband 



d.) Auftrag 3 => Baustein wird aus dem Lager 3 auf das Förderband 



e.) Auftrag 4 => Ist die Materialsequenz von 3 Bausteinen je eine Charge 

fertig, kann mit Aufrag 4 die Auslieferung an das Hauptwerk angestoßen 

werden. 

f.) Auftrag 5 => Die bereits auf das Band geschobenen Bausteine können 

nach links aus der Anlage gefördert werden. 

4. Störungen (weiße Lampe am Bedienpult blinkt) 

Wird im Automatikbetrieb der Not-Aus betätigt oder ist das Lager leer aus dem ein 

Baustein gefahren werden soll, geht die Anlage in die Betriebsart Störung. 

Durch das Entriegeln des Not-Aus bzw. das Auffüllen des entsprechenden Lagers 

welches die Störung verursacht hat, wird die Störung „quittiert“. Der Zulieferer 

befindet sich jetzt wieder in der Betriebsart Automatikvorwahl. 

5d. Handshake mit MES2 

Der Handshake wurde wie in der Anlagenbeschreibung spezifiziert, realisiert. Wird vom 

MES2 ein Auftrag gesendet und der Zulieferer befindet sich in der Betriebsart Handbetrieb, 

Automatikvorwahl oder Störung, wird der Handshake ausgeführt und Variable 

„Busy_Zulieferer“ so lange auf „1“ gesetzt, bist der Auftrag im Automatikbetrieb fertig 

abgearbeitet wurde. 

6. Objektorientierung in der SPS-Technik und Umsetzung in CoDeSys 

Die klassische IEC 61131-3 bietet nicht die weitgehenden Möglichkeiten zur Bildung von 

Modulen, wie es vergleichsweise mit objektorientierten Beschreibungsmitteln oder in 

objektorientierten Hochsprachen möglich ist. 

Der Funktionsbaustein (FB) ist das wesentliche Hilfsmittel, um Programmcode und Daten zu 

kapseln. Wie ein Modul wird der FB einmal programmiert und dann beliebig oft innerhalb des 

Programms aufgerufen. Bei diesen so genannten Instanzen handelt es sich um identische 

Kopien, welche unabhängig voneinander zur Laufzeit abgearbeitet werden und zudem über 

einen separaten Speicherbereich verfügen. Mit Ein- und Ausgabevariablen lässt sich das 



Verhalten der einzelnen Instanzen variieren. Mit diesen Eigenschaften ist der FB den 

Klassen der Objektorientierung recht ähnlich und damit der einzige Baustein, der für die 

Bildung von Modulen geeignet ist. Im Gegensatz zu einer Klasse ist es aber nicht möglich, 

mehrere verschiedene Abläufe (Methoden) innerhalb eines FB zu definieren. 

CoDeSys unterscheidet sich von den klassischen, bisherigen IEC 61131-3 Umgebungen 

unter anderem darin, dass Konstrukte verwendet werden können, die aus der 

Objektorientierung bekannt sind. Die bisher bekannten Funktionsbausteine sind deutlich 

erweitert worden, so dass sie nahezu den Klassen entsprechen. Diese lassen sich nach wie 

vor instanziieren und verfügen über eine eigene Datenbasis. Darüber hinaus ist es in 

CoDeSys aber möglich Eigenschaften, Transitionen, mehrere Abläufe als Methoden und 

Aktionen in einem Funktionsbaustein zu definieren, welche auf dessen gemeinsame 

Datenbasis zugreifen können. Methoden haben ein ähnliches Verhalten wie Funktionen. Es 

lassen sich Eingangsparameter übergeben. Methoden verfügen über eine eigene lokale 

Datenbasis und liefern einen Ausgabewert zurück. Sie werden im Gegensatz zu den 

Aktionen innerhalb eines SPS-Zyklus berechnet. Es ist daher in CoDeSys auch nicht 

möglich, die Ablaufsprache für die Programmierung von Methoden zu verwenden. 

7. Neue Sprachmittel und Schlüsselwörter 

Die Einführung von objektorientierter Programmierung in der SPS-Technik stellt hohe 

Anforderungen an die Programmierumgebung. Folgende Anforderungen wurden bei der 

Implementierung von objektorientierter SPS-Programmierung in CoDeSys berücksichtigt: 

-Funktionale, d.h. nicht objektorientierte Programmierung muss weiterhin möglich 

sein 

-Objektorientierte und funktionale Programmierung muss innerhalb eines Projekts 

gemischt werden können 

-Bestehende Applikationen müssen mit sinnvollen Mitteln auf ein 

objektorientiertes Design umgestellt werden können 

-E/A-Konfiguration, direkter E/A-Zugriff, Online-Funktionen und Online- 

Änderungen müssen möglich sein 

-Die Komplexität der Sprachdefinition soll den Anwendungsentwickler nicht 

zusätzlich belasten 

8. Schlüsselwörter für die oo-Programmierung in CoDeSys 

- METHOD: Funktion die einer Funktionsbausteindefinition (Objekt) zugeordnet ist 

- PROPERTY: erlauben den externen Zugriff auf Daten des Funktionsbausteins 

- EXTENDS: erweitert einen Funktionsbaustein (Kindklasse) um die Methoden und 

Attribute eines anderen Funktionsbausteins (Vaterklasse) im Sinne einer Vererbung. 

9. Erstellung von Varianten durch Vererbung 

Varianten eines Funktionsbausteines können mit dem Schlüsselwort „EXTENDS“ erstellt 

werden. Eine Klasse, welche auf diese Weise erstellt worden ist, erbt zunächst alle 

Methoden und Eigenschaften der Vaterklasse. CoDeSys zeigt diese geerbten Bestandteile 

einer Klasse nicht unterhalb der Kindklasse an. Trotzdem können alle Bestandteile so 

verwendet werden, als wären diese dort definiert. Damit ist die Kindklasse zunächst eine 

identische Kopie der Vaterklasse. Für die Bildung der Variante können sowohl alle geerbten 

Implementierungen durch eigene Implementierungen überlagert werden, als auch zusätzlich 

eigene Methoden und Eigenschaften definiert werden. 



10. Beispiel aus der Praxis für die oo-Programmierung in CoDeSys 

Anhand des Beispiels eines pneumatischen Zylinders wie er im Zulieferer mehrfach für das 

Herausschieben der Bausteine aus den Lagern verwendet wurde, soll kurz auf die praktische 

Ausführung der objektorientierten Programmierung in CoDeSys eingegangen werden. Bei 

den Zylindern handelt es sich um einfach wirkende Zylinder mit den Sensoren 

„sen_eingefahren“ (Zylinder eingefahren); „sen_ausgefahren“ (Zylinder ausgefahren) sowie 

den Aktor „akt_ausfahren“ (Zylinder ausfahren). In der Klasse Zylinder stellen diese 

Variablen die Attribute dar. Als Methoden (Funktionen) wurde „ausfahren()“ und „einfahren()“ 

definiert. 

10a. Die Klasse Zylinder 

Das unten dargestellte Klassendiagramm der Klasse Zylinder soll dies verdeutlichen. 

Klassenname 

 

Zylinder 

akt_ausfahren: bool 

sen_eingefahren: bool 

sen_ausgefahren: bool 

ausfahren() 

einfahren() 

Attribute (Variablen, Parameter, Werte…) 

Methoden (Programme, Funktionen…) 

Die Klasse Zylinder wird in CoDeSys in Form 

eines Funktionsbausteins (FB) im 

Programmbaum angelegt. 

Die Klasse Zylinder enthält die Methoden 

ausfahren und einfahren. 



10b. Blick in den Baustein Zylinder (FB): 

Ein Blick in den Baustein Zylinder (FB) lässt noch nichts von der Erweiterung der FBs in 

Richtung Objektorientierung erkennen. Zunächst werden die IN- und OUT-Variablen des FBs 

deklariert. 

1. Schnittstellen Variablen 

FUNCTION_BLOCK Zylinder 

VAR_INPUT 

sen_eingefahren: BOOL; 

sen_ausgefahren: BOOL; 

END_VAR 

VAR_OUTPUT 

akt_ausfahren: BOOL; 

END_VAR 

IN- und OUT-Variablen 

des Baustein Zylinder 

2. Anweisungen 

Wie von der SPS-Programmierung bekannt, kann in den FBs ein beliebiger Programmcode 

geschrieben werden. In diesem Beispiel ist zu sehen, wie die Methoden (ausfahren und 

einfahren) der Klasse Zylinder aufgerufen werden. 

IF sen_eingefahren THEN 

END_IF; 

ausfahren(); 

Aufruf der Methode 

ausfahren() 

IF sen_ausgefahren THEN 

END_IF; 

einfahren(); 

Aufruf der Methode 

einfahren() 

10c. Blick in die Methode ausfahren 

Die Methode ausfahren() ist ein untergeordneter Baustein des Zylinder (FB) also der Klasse 

Zylinder. Variablen, die im Zylinder (FB) deklariert worden sind, können auch in der Methode 

ausfahren() verwendet werden. Zusätzliche benötigte IN-Variablen, die der Methode 

übergeben werden sollen, können deklariert werden. 


METHOD PUBLIC ausfahren 

VAR_INPUT 

END_VAR 

Hier können zusätzliche 

Input-Variablen 

deklariert werden 




In der Methode selbst steht der Programmcode für die gewünschte Funktion, die in der 

Methode realisiert werden soll. In diesem Beispiel ausfahren() der Klasse Zylinder ist der 

Programmcode recht übersichtlich. Wird die Methode ausfahren() aufgerufen, wird der OUT- 

Variable für Zylinder ausfahren auf „high“ gesetzt. 

akt_ausfahren:=1; 

Programm der Methode 

11. Blick in den Baustein Hauptprogramm 

Das Hauptprogramm stellt den „Kopf“ des SPS-Anwenderprogramms des Zulieferers dar. 

Hier werden die Objekte referenziert, und die Attribute (Ein- und Ausgänge) gesetzt, also an 

den FB „übergeben“. 


Die drei Zylinder des Zulieferers (Zylinder_A, Zylinder_B, Zylinder_C) werden der Klasse 

Zylinder mit ihren Methoden „zugewiesen“. 

PROGRAM PLC_PRG 

VAR 

Zylinder_A: Zylinder; 

Zylinder_B: Zylinder 

Zylinder_C: Zylinder 

END_VAR 

Objekte werden 

referenziert 


Im Hauptprogramm des Zulieferers werden alle Ein- und Ausgänge an die jeweiligen FBs 

übergeben. In der Objektorientierung spricht man von Attribute setzen. Es folgt ein kleiner 

Ausschnitt aus dem Hauptprogramm, in dem die Attribute für den Zylinder_A gesetzt werden. 

Hauptprogramm.Zylinder_A.sen_eingefahren:=Zylinder_A_eingefahren; 

Hauptprogramm.Zylinder_A.sen_ausgefahren:=Zylinder_A_ausgefahren; 

Attribute setzen (Eingänge) 

Zylinder_A_ausfahren:= Hauptprogramm.Zylinder_A.akt_ausfahren; 

Attribut setzen (Ausgang) 



12. Aufruf der Klasse Zylinder 

Jetzt müssen nur noch die Aufrufe für die Zylinder gemacht werden. Das passiert in der 

Schrittkette der Mechaniksteuerung (FB) in der Aktion „Mechaniksteuerung.Zylinder_aktive“. 

Der Programmausschnitt unten zeigt den Aufruf von Zylinder_A, bedingt an den Auftrag 1. 

IF auftrag = 1 THEN 

END_IF 

Hauptprogramm.Zylinder_A(); 

Aufruf des 

Funktionsbausteins 

Zylinder_A()

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