Eine funktional einheitliche Schnittstelle

Für Hersteller und insbesondere Anwender von Buskomponenten ist der Zugriff auf die Applikationsprofile von besonderem Interesse. Der Grund dafür ist, dass busspezifische Umsetzungen nicht nur in der physikalischen und der Treiber-Ebene stattfinden, sondern auch in den Applikationen selbst enthalten sind. Die unterschiedlichen Zugriffe auf die Bussysteme führen dazu, dass im Anwendungsprogramm der Applikationsebene für dessen korrekte Funktion busspezifische Anweisungen enthalten sein müssen. Dadurch sind Applikationen vom verwendeten Kommunikationssystem abhängig und können nicht ohne Anpassung über ein anderes Bussystem kommunizieren. Die IEC 61800-7 hatte ursprünglich das Ziel, für eine Vereinheitlichung der Antriebsprofile zu sorgen. Für digitale Antriebe beschreibt die Norm die Profile CiA 402, CIP Motion, Profidrive und Sercos FSP Drive.

Die einheitliche Schnittstellenbeschreibung PDS (Power Drive System) sollte einen einheitlichen Zugriff auf die vier einzelnen Antriebsprofile beschreiben. Die in der Spezifikation dargestellte Sichtweise erlaubt dies aber durch den hohen Abstraktionsgrad nicht. Die Applikationsprofile wurden darin parallel in unterschiedlicher Struktur, ohne jeglichen Bezug zueinander beschrieben. Ziel ist daher, durch die Definition einer funktional einheitlichen Schnittstelle die Applikationsebene von den Profilen zu entkoppeln. Das ISW-Konzept sieht vor, dass die einheitliche Schnittstelle sowohl in der Steuerung als auch im Feldgerät vorhanden sein kann. Das Vorgehen dazu erfolgt anhand der objektorientierten Analyse:

In einem ersten Schritt wird eine Abstraktion der betrachteten Bussysteme und Applikationsprofile durchgeführt. Diese Abstraktion bietet die Grundlage für einen anschließenden Vergleich. Es werden die einzelnen Funktionalitäten anhand einer Spezialisierung näher betrachtet und dazu in Funktionen unterteilt. Ausgehend von den Spezifikationen für Ethernet-basierte Bussysteme und Applikationsprofile werden die Funktionen bei der Spezialisierung detailliert beschrieben sowie diese zwischen den unterschiedlichen Bussystemen und Profilen verglichen. Dabei werden sowohl Gemeinsamkeiten als auch Unterschiede herausgearbeitet. Im folgenden Schritt wird daraus eine funktional einheitliche Schnittstelle abgeleitet. Dazu werden die vergleichbaren Funktionen und Funktiona- litäten einheitlich beschrieben und in die Schnittstelle übernommen. Zusätzlich zu den funktionalen Inhalten der Schnittstelle müssen die Schnittstellen informationstechnisch sowie deren Konfiguration definiert werden.

Abstraktion und Vergleich von Bussystemen

Die Anordnung von Feldbuskomponenten und deren physikalische Verbindung werden als Netzwerktopologie bezeichnet. Sie wird deshalb als übergeordnetes Strukturelement bei der Abstraktion angesehen. Die Defini- tion einer davon abgeleiteten geeigneten Struktur erfolgt zum einen durch den Top-Down-Ansatz, der die Kommunikation zwischen Geräten aus Sicht der Applikation definiert, zum anderen mit dem Bottom-up-Ansatz, der die detaillierte Struktur der Spezifikationen von Bussystemen und Applikationsprofilen berücksichtigt. Die Funktionalitäten werden somit in zwei Bereiche unterteilt, die Kommunikationssicht und die Applikationssicht. Die Kommunikation ist der wesentliche Teil der Spezifikation der Feldbussysteme. Hierbei sind die Bussysteme extrem unterschiedlich in ihren Mechanismen, um den deterministischen Datenaustausch zu erreichen. Aus Applikationssicht spielt jedoch hauptsächlich die genaue Beschreibung des Gerätemodells und deren Applikationsprofil eine wesentliche Rolle. Das Gerätemodell beschreibt die logische Sicht auf ein Gerät, während ein Applikationsprofil Funktionalitäten aus Applikationssicht und deren Abbildung auf Funktionen beschreibt.

Bei den Applikationsprofilen werden beispielhaft die genormten Antriebsprofile betrachtet, welche die logische Sicht auf digitale Antriebe beschreiben. Beim Vergleich werden die Funktionalitäten anhand der Spezialisierung in ihre Funktionen unterteilt und detailliert beschrieben. Diese Funktionen werden zwischen den unterschiedlichen Bussystemen verglichen und dabei sowohl Gemeinsamkeiten als auch Unterschiede herausgearbeitet. Die verglichenen Funktionen bei den Antriebsprofilen können anhand der folgen-den Beschreibungsformen strukturiert verglichen werden:

· Zustandsmaschinen, durch die die Applikation Einfluss auf die Antriebszustände vom Hochlauf und bis zum Abbremsen nehmen kann;

· Antriebsparameter, über die der Zugriff auf die einzelnen Funktionen zwischen den jeweiligen Applikationen erfolgt;

· Betriebsarten, die das Antriebsverhalten und dessen Regelungsart festlegen, wie Referenzierung, Positionieren, Interpolation, Positions-, Geschwindigkeits- und Momentenregelung;

· Antriebsreglerstruktur, die die Struktur eines Antriebsreglers beschreibt, die sich aus Sicht der Applikation anhand der Reglerkaskade darstellen lässt.

Ableiten einer Applikationsschnittstelle

In einem nächsten Schritt erfolgt die Ableitung einer funktional einheitlichen Applika-tionsschnittstelle. Aus den Vergleichen können nun die Parameter in eine einheitliche Schnittstelle übernommen werden, die entweder in mindestens zwei der Antriebsprofile vorkommen oder aber das Prozessergebnis direkt beeinflussen. Hierzu muss für jede der Funktionalitäten und der zugehörigen Funktionen festgelegt werden, ob sie in eine einheitliche Schnittstelle übernommen werden und in welcher Form sie verallgemeinert abgebildet werden. Dabei sind neben der Parameterbeschreibung auch die Datentypen zu berücksichtigen, sodass diese auf existie- rende Applikationsprofile abgebildet werden können, ohne den Wertebereich zu verletzen oder an Genauigkeit zu verlieren. Gleichzeitig müssen diese von entsprechenden Rechnerarchitekturen in der Automatisierungstechnik verarbeitet werden können. Über die einheitliche Schnittstelle werden ebenfalls die Attribute von Parametern abgebildet sowie einheitlich dargestellt.

Fazit

Eine funktional einheitliche Schnittstelle bietet eine feldbussystemunabhängige Entwicklung und Integration von Automatisierungssystemen und damit einen großen Vorteil gegenüber dem aktuellen Entwicklungs- und Implementierungsaufwand. Am ISW wurde zusammen mit Industriepartnern (Homag und ISG) eine solche Schnittstelle abgeleitet und prototypisch umgesetzt, welche den Zugriff auf die Kommunikation und die in der IEC 61800-7 beschriebenen Antriebsprofile vereinheitlicht. Weitere Aktivitäten bestehen in der Ausarbeitung zu einer vollständigen einheitlichen Schnittstellenspezifikation bis Mitte nächsten Jahres. Damit können die Komponentenhersteller ihre eigenen spezifischen Wrapper entwickeln, welche die einheitlichen Parameter in profilspezifische Parameter wandeln.