Engineeringaufwand und -kosten reduziert
In der Programmierung von Maschinen und Anlagen kommen heute überwiegend prozedurale Programmiersprachen, die sich über die Jahre dank ihrer Funktionalität bestens bewährt haben, zum Einsatz. So gehören Kontaktplan, Strukturierter Text oder Ansi-C zu den meist verwendeten Programmiersprachen. Die steigende Modularität im Maschinenbau verlangt jedoch zunehmend nach Konzepten, die eine Wiederverwendung von Software ermöglichen und in weiterer Folge wertvolle Kostensenkungspotenziale erschließen. Die nachfolgenden Ausführungen zeigen mit der objektorientierten Programmierung im Automation Studio von B&R eine Lösung auf.
Während in der IT-Welt objektorientierte Programmierung etabliert und seit Jahren eingesetzt wird, ist sie im Maschinen- und Anlagenbau noch kaum verbreitet. Grund dafür ist die Dominanz der prozeduralen Sprachen, deren Möglichkeiten oft völlig ausreichen. Die objektorientierte Programmierung bietet jedoch weiter reichende Ansatzpunkte zur Effizienzsteigerung im Engineering. Anhand der beispielhaften Applikation eines Wicklers sollen die Möglich-keiten und Vorteile dieser Programmier-weise aufgezeigt werden. Selbstverständlich dient der Wickler nur als Anschauungsbeispiel und setzt nicht zwingend objektorientierte Programmierung voraus.
Der Wickler besteht aus zwei Achsen. Die erste Achse, der Einzug, ist eine Rollenbahn für die Materialzufuhr. Die zweite Achse, der eigentliche Wickler, ist eine Rundachse. Um den Wickler zu starten, ist wie bei jeder Achse zuerst ein Referenzieren notwendig. Dies unterscheidet sich aber von der Linearachse des Einzugs. So wird in unserem Beispiel gefordert, dass eine bestimmte Posi- tion am Ende des Referenziervorgangs angefahren wird. Zusätzlich erfordert das Aufwickeln eine Zugspannungsregelung. Entscheidend dabei ist, dass beide Achsen zwar über dieselben Basisfunktionen verfügen, Teile davon aber abgeändert bzw. um Funktionen ergänzt werden müssen.
Grenzen prozeduraler Programmierung
Die genannte Aufgabenstellung lässt sich mit prozeduralen Programmiersprachen wie Strukturierter Text auf zwei Arten lösen: Die erste Möglichkeit besteht darin, beide Achsen in einem Programm auszuprogrammieren. Dabei stehen dem Programmierer alle Möglichkeiten offen. Jede einzelne Achse wird individuell im Code berücksichtigt. Dies bewirkt aber, dass dieser Code nicht einfach wiederverwendet werden kann. Es fehlt eine Kapselung, mit der die „Antriebstechnologie" so transportiert werden kann, dass alle benötigten Variablen mittransportiert werden und der Code vor unbewusster Manipulation geschützt wird.
Der Einsatz von Bibliotheken unterstützt bei der einfachen Wiederverwendung der Antriebstechnologie. So werden Programme zu Funktionsblöcken mit definierten Schnittstellen und Variablen zu internen Datenpunkten der Funktionsblöcke. Dadurch entsteht eine Kapselung von Code und Daten. Die einmal programmierte „ Antriebstechnologie" kann auf sehr einfache Weise durch Weitergabe der Bibliothek transportiert werden. Die Aufgabenstellung besteht aber aus zwei Antrieben mit geringfügig unterschiedlichen Funktionen. Um die eben erstellte Bibliothek für beide Antriebe verwenden zu können, müsste der maximale Umfang beider Achsen fix implementiert werden. Also mit Zugspannungsregelung und dem Referenzieren in zwei unterschiedlichen Funktionen. Es ist daher festzuhalten, dass eine Abänderung einer Funktion bzw. die Erweiterung der Bibliothek nur durch Anpassung der Bibliothek selbst erfolgen kann, was mitunter einen erheblichen Programmieraufwand bedeutet.
Ein Fall für OOP
Um diesen skizzierten Mehraufwand zu vermeiden, lohnt sich ein Blick in Richtung objektorientierte Programmierung (OOP). Im Gegensatz zu den bekannten Programmiersprachen, werden bei der OOP Funktionen und Daten in Objekte gekapselt. Jedes Objekt ist völlig eigenverantwortlich für die Erledigung einer bestimmten Aufgabe zuständig. Daher gehört es im Zuge von OOP zu den besonderen Herausforderungen, die Aufgaben einer Maschine zu identifizieren und in weiterer Folge ein Objektmodell (Modell aller Aufgaben) zu erstellen.
Werden nun wie im skizzierten Fall des Wicklers ähnliche Aufgaben mit gleichen Grundfunktionen oder unterschiedlichen Erweiterungen erkannt, spielt die OOP ihre volle Stärke aus. Der Bauplan eines Objekts (Klasse) kann in einem anderen Bauplan auf einfache und effiziente Weise wiederverwendet werden. Dabei handelt es sich weniger um eine Kopie, sondern mehr um eine Art Verweis, der Ableitung genannt wird. Bei der Ableitung werden sämtliche Funktionen und Daten weitervererbt. Hier zeigt sich ein entscheidender Vorteil der OOP: Im abgeleiteten Bauplan können Funktionen abgeändert (Polymorphie) und neue Funktionen bzw. neue Daten hinzugefügt werden, was eine ideale Anpassung an den Einzelfall erlaubt. Ein Objekt, das auf Basis des abgeleiteten Bauplans erstellt wurde, besitzt damit die (angepassten) Grundfunktionen und alle notwendigen neuen Funktionen. Ein Objekt kann somit an seine Aufgabe optimal angepasst werden, ohne dabei die Grundfunktionen zu verlieren.
Einführung von OOP im Unternehmen
Bei der Objektorientierung steht die Programmiersprache nicht mehr an erster Stelle. Sie ist lediglich Ausdruck der objektorientierten Denkweise. Wie zuvor erwähnt, steht bei der OOP das Objekt- oder Aufgabenmodell der Maschine oder Anlage im Vordergrund. Eine erfolgreiche Umstellung auf OOP beginnt daher mit dem Aufbau von OOP-Knowhow im Unternehmen. Erst danach ist das Entwicklungsteam in der Lage, anfängliche Erfahrungen mit Beispielprogrammen erfolgreich auf komplexe Maschinen- und Anlagenabläufe in der Praxis umzulegen. Auch wenn zu Beginn nur Teile der Maschine auf OOP umgestellt werden, sind eine gesamtheitliche Betrachtung der Maschine sowie die Berücksichtigung aller Varianten und Optionen beim Entwurf des Objektmodells notwendig. Auf diese Weise bildet das Objektmodell das Fundament der Software.
Wie bei jedem Fundament steht und fällt die darauf aufbauende Konstruktion mit der Sorgfalt und Weitsicht während seiner Erstellung. Im Lebenszyklus der Software erhöhen Erweiterungen, z.B. zusätzliche Optionen oder die Wartung in Folge von Fehlerbehebungen, die Komplexität. Der Initialaufwand ist, aufgrund der Modellierung der Maschine, typischerweise höher als bei der prozeduralen Programmierung. Wenn es nun gelingt, die Aufgaben der Maschine oder Anlage im Objektmodell richtig zu kapseln, entsteht bei steigender Komplexität ein vergleichsweise geringerer Programmieraufwand.
Investitionssicherheit und effizientes Engineering
Durchgängige OOP kapselt die Maschinensoftware in überschaubare funktionale Einheiten, die eine Wiederverwendung des Codes auf sehr einfache Weise ermöglichen. Sämtliche Funktionen und Daten die für die eigenverantwortliche Erledigung einer Aufgabe notwendig sind, sind im Objekt enthalten. Die Kapselung in überschaubare Einheiten erlaubt gezielte Tests der Aufgaben und eine einfache Wartung. So erlaubt die Ableitung der zugrunde liegenden Klasse eine Modifikation der Aufgabe des Objekts, ohne dass dabei bestehendes Knowhow verloren geht. Dadurch steigt die Investitionssicherheit in die aufgewendete Zeit bei der Erstellung der Objekte.
Die feine Kapselung der Aufgaben erlaubt eine weitere Verfeinerung in der Aufteilung der Projektarbeit. Die Klassen der Objekte werden üblicherweise in eigenen Dateien abgelegt. Dabei hat jedes Objekt definierte Schnittstellen in das Objektmodell. Mit der integrierten Versionskontrolle unterstützt Automation Studio die Teamarbeit in der Objektorientierung. Die zuvor diskutierte Wiederverwendung von Objekten verkürzt die Entwicklungszeiten. Gezielte Eingriffe lassen sich in überschaubaren Einheiten einfacher testen und steigern so zusätzlich die Effizienz im Software-Engineering.
Neben dem Anlagenbau, bei dem endkundenspezifische Ausprägungen üblich sind, verlangen zunehmend auch Kunden des Maschinenbaus nach immer individuelleren und auf ihre Bedürfnisse zugeschnittenen Maschinenlösungen. Diese Vielfalt an Optionen muss jedoch letztlich auch in der Software abgebildet und gewartet werden. Die OOP bietet mit Ableiten, Vererben und Erweitern, Möglichkeiten, diesen Anforderungen bestens gerecht zu werden. Ein vollumfängliches Objektmodell der Maschine erlaubt Erweiterungen an Maschinenfunktionen, ohne dass dabei bestehende Funktionsschnittstellen umfassend geändert werden müssen.
C++ ist etabliert und in Echtzeit nahtlos integriert
Die wohl bekannteste Sprache der OOP ist C++. Das hat seine Gründe. C++ existiert praktisch seit die Softwareindustrie begonnen hat, objektorientiert zu denken. Sie wurde mit dem Anspruch geschaffen, vollständig kompatibel zur Sprache „C" zu sein. Dadurch hat sie in die gesamte Welt der Embedded-Geräte Einzug gehalten. Somit kann Knowhow in bestehendem C++-Code auf einfache Weise auf den B&R-Steuerungen wiederverwendet werden. Durch die Verfügbarkeit über Jahrzehnte haben sich neben der Sprachsyntax eine Unmenge an vorge-fertigten Funktionen etabliert. Diese sind in der sogenannten Standardbibliothek zusammengefasst und stehen in Automation Studio zur Verfügung.
Die Standardbibliothek bietet viele praktische Funktionspakete. So gibt es ein mäch-tiges Funktionspaket zur Datenverwaltung mit Listen. Ein Listenelement kann dabei ein ganzes Objekt sein. Doppeltverkettete Listen müssen nicht selbst programmiert werden, sondern stehen bereits fertig zur Verfügung. Produktverfolgungen in Maschinen und Anlagen lassen sich so mit geringem Aufwand implementieren. Weitere Pakete bieten Suchfunktionen und Sortieralgorithmen, Numerik sowie Mengenoperationen. Die lange Verfügbarkeit der Sprache bietet aber noch einen weiteren entscheidenden Vorteil: Für fast jede erdenkliche Problemstellung gibt es sogenannte Design Patterns. Diese zeigen in einer Art „Best Practices" Lösungen zur Problemstellung in Form eines fertigen Programmcodes. Zusätzlich gibt es für die Standardbibliothek und die Design Patterns eine Unmenge an Literatur und freie Communities in diversen Foren.
Bei der Einführung einer neuen Sprache wird in Automation Studio verstärktes Augenmerk auf größtmögliche Durchgängigkeit gelegt. C++ ist daher voll in das Echtzeit-Multitasking-Betriebssystem der B&R- Steuerungen integriert. Wie in jeder bei B&R integrierten Programmiersprache besteht uneingeschränkter Zugriff auf die Pro- zessvariablen der Maschine. Diese können neben einer Deklaration in C-Dateien auch in IEC-Syntax deklariert werden. Selbstverständlich kann C++ in Kombination mit allen anderen Sprachen im Projekt verwendet werden. Dabei besteht Zugriff auf alle B&R- Bibliotheken. Es ist aber auch möglich, Bibliotheken in C++ zu schreiben und diese anschließend in den IEC-Sprachen (z.B. Kontaktplan) wiederzuverwenden. Für die volle Entfaltung in der objektorientierten Welt stehen zusätzlich statische C/C++-Bibliotheken zur Verfügung.
DER AUTOR Mag. (FH) Werner Paulin, System Architect bei der Bernecker + Rainer Industrie-Elektronik Ges.m.b.H. (B&R) in Eggelsberg/A ( www.br-automation.com )
