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Steuerungsebene
Martin Paulick
Die objektorientierten Features
Bislang konnten Applikationsingenieure bei der Verwendung von
IEC-61131-Engineeringtools keine objektorientierten Lösungen
erstellen. Mit der Erweiterung des IEC-61131-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 60870 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 -20+70°C imBergbau
und der Bahntechnik.
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Steuerungsebene
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trischen Schaltanlagen der Mittel- und
Hochspannungstechnik wurde im Jahr
2004 die Norm IEC 61850 als globaler
Standard veröffentlicht. Auf dieser Basis
erfolgte Ende 2006 die Definition der
IEC 61400-25 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 61850 wie auch die IEC 61400-
25 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-61850-Lösung
wurde die Implementierung eines IEC-
61850-Servers in verschiedene Wago-
Steuerungen evaluiert, welche dann mit
dem in der Leittechnik enthaltenen Client
kommunizieren. Nachfolgende Ausführungen
beschreiben die Portierung der
unter Codesys V2.3 – der IEC-61131-
Programmierumgebung des Herstellers
Modell eines intelligenten elektronischen
Gerätes (IED) gemäß IEC 61850:
Die Grafik stellt die Projektion von realen
Anlagenteilen auf das Software-
Objekt 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 61850 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 61850
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
Zuverlässig.
Präzise.
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Steuerungsebene
Objektorientierte IEC-61850-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-
61850-Klasse deutlich reduzieren.
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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
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Aufgabenstellungen. Mit unserem Produkten DATAEAGLE bieten wir seit
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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-61850-
Codesys-Bibliothek“
erstelltes SPS-Programm
verwendet typischerweise
mehrere
Objekte verschiedener
Logical Node Classes.
Dazu ist innerhalb der
61850-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 61850 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 . www.computer-automation.de

Steuerungsebene 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-61131-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 – + – –
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Steuerungsebene
Die offizielle Tageszeitung zur
SPS/IPC/DRIVES 2009
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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-61850-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-61850-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 61850-Klassen.
■ Wie bereits erwähnt, ist MMS eine erste Umsetzung des IEC-
61850-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 61131-3 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-61131-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 2009 2. November 2009
25. November 2009 (für alle 3 Ausgaben)
26. November 2009
Kontakt:
Computer&AUTOMATION Mediaberatung
Tel.: 08121.95-1385 · Fax: 08121.95-1670
E-Mail: media@computer-automation.de
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ist Produktmanager
für Engineering-Software
und Telecontrol-Lösungen
bei Wago Kontakttechnik.
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