Dritte Generation der PC-Steuerungssoftware

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1 Elektro Automation 04/2010, S. 1, , 09:53, KUHN 04 / 2010 Acht Experten bewerten die Dart-Technologie für mehr Energie im Ex-Bereich TRENDS ab Seite 39 Per Software-Tool die Automatisierung schneller planen PRAXIS Seite 74 Als Lösungspartner trotz Wirtschaftskrise bei mehr Partnern gefragt Peter Dittmers von Nord MEINUNG Seite 22 Hannover Messe MESSEAUSGABE STAND: 17-F23 Dritte Generation der PC-Steuerungssoftware Seite 64

2 Elektro Automation 04/2010, S. 64, , 09:53, KUHN PRAXIS Neue Software-Generation für PC-basierte Steuerungstechnik (Hannover Messe: 9-F06) Den Weg in die weite Welt öffnen Mit seiner neuen Software-Generation für die PC-basierte Steuerungstechnik erweitert Beckhoff die traditionelle Automatisierungswelt um viele Möglichkeiten und Funktionen. So unterstützt sie den Einsatz neuester Multicore-Prozessoren, integriert durch das bekannte IT-Entwicklungstool Visual Studio alle wesentlichen Programmiersprachen der Automatisierungs- und IT-Welt und eröffnet so neue Wege und Arbeitsweisen. Anwendungen geöffnet. Und das alles in nur einer Engineering-Umgebung, basierend auf Microsoft Visual Studio. Lauffähig sind die Module geschrieben in den unterschiedlichen Sprachen in einer gemeinsamen Runtime. Der Vorteil dieser Modularität liegt in der verbesserten Wiederverwendung einmal geschriebener und getesteter Module. Die Runtime läuft unter harten Echtzeitbedingungen, unter der Nutzung von MulticoreTechnologie und mit der Unterstützung von 64-bit-Betriebssystemen. Die Architektur Twincat-3-Architektur der Entwicklungsumgebung Bereits im Jahr 1986 wurden von Beckhoff normale PCs für Steuerungsaufgaben genutzt, sodass die bekannte PC-Welt in der Automatisierungstechnik Einsatz fand. Mit der Einführung von Ethercat wurde wieder eine Standard-IT-Technologie nämlich Ethernet mit allen Vorteilen, wie günstige Anschlusstechnik und einfache Tools, adaptiert und verfügbar gemacht. Mit Twincat 3 hat Beckhoff nun erneut von der IT-Branche bekannte Technologien in die Automatisierungstechnik überführt. Die Software Twincat 3 ist die konsequente Weiterentwicklung des seit vielen Jahren und durch viele Applikationen bekannten Twincat 2. Der Obergriff für diese neue Technologie lautet: extended Automation (XA). Sie beinhaltet die XA Architecture (XAA), die sich aus einer Engineering-Umgebung (XAE) und einer Laufzeitumgebung (XAR) zusammensetzt. Neben den objektorientierten Erweiterungen der IEC stehen mit C und C++ auch die Sprachen der IT-Welt zur Verfügung. Durch die Einbindung von Matlab/ Simulink wird der Weg in wissenschaftliche elektro AUTOMATION 4/2010 Mit der extended Automation Architecture werden die in Twincat 2 integrierten Features erweitert. Die schon immer modulare Softwarestruktur wird in Twincat 3 fort- und weitergeführt. Auf der Engineeringseite fügt sich die modulare Softwarestruktur einfach in Visual Studio ein. Neben den von Visual Studio bekannten Sprachen wie C/C++ und den.net-sprachen, findet man nun die Integra- tion des mit Twincat 2 eingeführten Twincat System Managers sowie der IEC Editoren und des IEC Compilers. Weitere Engineeringmodule, wie auch die Twincat Supplements, lassen sich einfach in den Visual-Studio-Rahmen integrieren. Die Modularität zeigt sich auch in der Runtime. Hier interagieren verschiedene Module geschrieben in verschiedenen Programmiersprachen zusammen mit Motion Control und Sicherheitssteuerungen in einer Echtzeitumgebung. Die Module in der Runtime können direkt vom bekannten Twincat-RealtimeKernel aufgerufen werden oder sich gegenseitig aufrufen. Das funktioniert natürlich nur durch standardisierte Interfaces, die allerdings die einfache Wiederverwendung der Module ermöglichen. Die Modularität zieht sich sogar bis auf die Ebene der Feldbuskartentreiber. Auch hier gibt es standardisierte Interfaces. Diese ermöglichen unter Twincat 3 die einfache Erstellung von eigenen Treibern, Automation Device Driver (ADD) genannt, z.b. für neue Feldbusse. Im Bereich Motion Control wird weiterhin die gesamte Die Visual-Studio-Integration erfolgt auf zwei Wegen: Twincat Standard nutzt nur das Basis-Framework von Visual Studio mit seinen Vorteilen bzgl. Handling, Anbindung an Quellcodeverwaltungssoftware etc.; Twincat Integrated integriert sich in Visual Studio, wobei die Programmiersprachen C/C++, C#, weitere.net-programmiersprachen und die Matlab/Simulink-Anbindung zur Verfügung stehen

3 PRAXIS PRAXIS PLUS Twincat 3 bietet u.a. die folgenden funktionellen Highlights: nur eine Software für Programmierung und Konfiguration, Visual-Studio-Integration, mehr Freiheitsgrade bei der Programmiersprache, Unterstützung der objektorientierten Erweiterung der IEC , Verwendung von C/C++ als Programmiersprachen für Echtzeitanwendungen, Anbindung an Matlab/Simulink, offene Schnittstellen für Erweiterbarkeit und Anpassung an bestehende Tool-Landschaften, schnellere und flexiblere Laufzeitumgebung, aktive Unterstützung von Multicore- und 64-bit-Systemen sowie Konvertierung von Twincat-2- Projekten. Palette von Point-to-Point-Bewegungen bis hin zur CNC unterstützt. Zusätzlich gibt es mit Twincat 3 eine weitere Modularisierung, sodass sich einzelne Motion-Control-Komponenten beliebig kombinieren lassen. Außerdem kann man bestimmte Komponenten, wie Sollwertgeneratoren und Regler, mit eigenen Komponenten überschreiben. Mit den Themen der Scientific Automation, beispielsweise Robotik, Messtechnik und Condition Monitoring, wird die reine Automatisierungstechnik deutlich erweitert. Neu ist die Möglichkeit, weitere Programmiersprachen wie C/C++ und Matlab/Simulink für Echtzeitanwendungen nutzen zu können. Die Engineering-Umgebung Die extended-automation-engineering-umgebung (XAE) ist das weit verbreitete Microsoft Visual Studio. Beckhoff hat in diese weltweit bekannte Entwicklungsumgebung neben den schon vorhandenen C/C++-Sprachen auch die IEC Programmiermöglichkeit integriert. Natürlich man auch weitere Programmiersprachen, wie die.net- Sprache C#, in der gleichen Entwicklungsumgebung für die Programmierung von Visualisierungen verwenden. Die Vorzüge des IT- Frameworks Visual Studio lassen sich so auch in der Automatisierung nutzen. Einer der wesentlichen Vorteile von Visual Studio ist die Möglichkeit, verschiedene Tools in einem Framework zu integrieren. Alle Tools haben ein gemeinsames Look&Feel und können vorhandene Ressourcen verwenden. Da viele Programmierer Visual Studio schon kennen, ist die Einarbeitung in Twincat 3 denkbar einfach. Das ausgereifte Hilfesystem kann ebenso genutzt werden wie die Vielzahl von Quellcodeverwaltungstools, die sich an Visual Studio angeschließen lassen. DER AUTOR Dr. Josef Papenfort, Produktmanager Twincat bei der Beckhoff Automation GmbH in Verl (

4 Elektro Automation 04/2010, S. 66, , 09:53, KUHN PRAXIS Bei Twincat 3 stehen neben den objektorientierten Erweiterungen der IEC mit C und C++ auch die Sprachen der IT-Welt zur Verfügung Der Twincat System Manager das Konfigurationstool für System, Module, I/O und Motion ist komplett in Visual Studio integriert. Damit müssen in Zukunft nicht mehr zwei Tools für Konfiguration, Diagnose und Programmierung eingesetzt werden, sondern nur noch ein Tool für alles. Dies vereinfacht die Handhabung von Twincat zusätzlich. Zur Programmierung stehen neben den möglichen C- und C++-Sprachen auch die Sprachen der IEC zur Verfügung. Bei den Editoren für die IEC wurden viele neue Features implementiert. Bedienbarkeit und Debugging sind komplett überarbeitet und erweitert worden. Zusätzlich hat man bereits die Features der neuen IEC , 3rd Edition implementiert. Diese noch nicht endgültig beschlossene Erweiterung und Modernisierung des Standards sieht u.a. die Einführung von objektorientierten Programmiermöglichkeiten vor. Hierzu zählen die Einfachvererbung, die mit dem Schlüsselwort Extends eingeleitet wird, sowie die Möglichkeit der Nutzung von Interfaces, Methoden und Attributen. Interfaces (virtuelle Klassen) können mit dem Schlüsselwort Implements implementiert werden. Die Integration von Matlab/Simulink erfolgt über den Mathworks-Realtime-Workshop. Dieser generiert unter Berücksichtigung von Twincat-Randbedingungen C-Code, der dann vom Microsoft Visual Studio C Compiler kompiliert und durch die Implementierung des Twincat-3-Interface in die Echtzeitumgebung geladen und dort ausgeführt werden kann. Zum Debuggen steht ein spezieller Debugger für Simulink zur Ver- Modularer Aufbau der Twincat-3-Runtime elektro AUTOMATION 4/2010 fügung, mit dem Daten direkt aus der Twincat-Echtzeit in Simulink visualisiert werden können. Die Konfiguration der mit Matlab/Simulink erzeugten Module lässt sich direkt im System Manager vornehmen, sodass man die Module auch ohne Matlab/Simulink verteilen und parametrieren kann. Zwei Varianten Beckhoff wird Twincat 3 in zwei verschiedenen Versionen anbieten. In der Twincat-Standard-Variante wird lediglich das Framework von Visual Studio mit all seinen Vorteilen bzgl. Handling, Anbindung an Quellverwaltungssoftware, Hilfe-Funktionalität etc. genutzt. Diese Variante ist für alle Nutzer, die nur Konfigurieren und die IEC als Sprachmittel verwenden wollen. In der zweiten Variante integrieren sich die Twincat-3-Komponenten direkt in Visual Studio 2010, insofern dieses vorhanden ist. Ist es nicht vorhanden, wird Visual Studio mit den Twincat-3-Komponenten installiert. In dieser Version stehen den Anwendern zusätzlich die Programmiersprachen C/C++ und damit die Anbindung an die Matlab/Simulink-Welt über den Matlab/Simulink-Realtime-Workshop zur Verfügung. Für die Programmiersprachen C/C++ wurde ein Debugger mit Online-Monitoring-Funktion entwickelt, der über die normalen Debugging-Funktionen von C/C++ hinausgeht. Zusätzlich können die.net-basierten Sprachen für die Programmierung von Nicht-Echtzeit-Komponenten der Applikation (z.b. HMI) genutzt und im selben Projekt verwaltet werden. Die Runtime In der extended Automation Runtime (XAR) werden alle Module, geschrieben in IEC 61131, C/C++ oder Matlab/Simulink, in Echtzeit abgearbeitet. Die bewährte TwincatEchtzeiterweiterung für Microsoft-Betriebssysteme kommt hier zur Anwendung. Mit einer minimalen Zykluszeit von 50 µs und sehr geringem Jitter können die Tasks bearbeitet werden. Die Twincat-Echtzeit wurde um zusätzliche Features erweitert. Zum einen wurde die Zahl der möglichen nutzbaren Tasks auf erhöht. Mit dem Round-RobinVerfahren können sich zudem mehrere Tasks mit gleicher Priorität und gleicher Zykluszeit eine Zeitscheibe teilen. In den nächsten Jahren wird sich die Anzahl der CPUs mit mehreren Kernen stark erhöhen. Um dieser Entwicklung Rechnung zu tragen, wurde die Twincat-Echtzeit um die Möglichkeit, bestimmte Tasks auf unterschiedlichen Kernen einer Multicore-CPU auszulagern, erweitert. Da die Leistung linear auf die Kerne aufgeteilt werden kann, ist mit einer deutlichen Leistungssteigerung zu rechnen. Auch die mittlerweile vielfach genutzten 64-bit-Betriebssysteme, die den maximal möglichen nutzbaren Speicher noch einmal deutlich erhöhen, werden mit Twincat 3 unterstützt. Die modulare Softwarearchitektur mit klaren Schnittstellen ermöglicht erst das Abarbeiten von in verschiedenen Programmiersprachen geschriebenen Runtime-Objekten. Die von Beckhoff eingeführten TcCOM-Interfaces sind an das bekannte Component Object Model angelehnt und für die Automatisie-

5 PRAXIS In Visual Studio integrierter Twincat System Manager rungstechnik adaptiert. Module werden über dieses Interface von Tasks aufgerufen und können sich auch gegenseitig aufrufen unabhängig von der Programmiersprache. Auf unterster Ebene lassen sich mit dieser Moduldefinition auch Automation Device Driver (ADD) realisieren. Diese können dann z.b. Treiber für neue Feldbusse sein. Die System-Migration Twincat 2 ist bereits seit vielen Jahren und in weit mehr als Applikation im Einsatz. Um die bisher geschaffenen Projekte nicht ersetzen zu müssen, kann man mit Twincat 3 die Engineering-Tools der Twincat- 2-Familie weiterhin zu nutzen. Die SPS-Programmierumgebung der Version 2 wird weiterhin im Umfang von Twincat enthalten sein. Ebenso können Projekte von Twincat 2 nach Twincat 3 konvertiert werden. Damit ist es möglich, sowohl zunächst mit den bisher geschaffenen Projekten unter Twincat 3 in Twincat 2 PLC Control weiterzuarbeiten als auch zu einem beliebigen Zeitpunkt die Projekte in die neue Twincat-3-Welt ohne Nachteile zu übernehmen. INFO-TIPP Twincat 3 nutzt unter anderem die vielfältigen Möglichkeiten von Visual Studio. Welche Technologie bzw. Features genau hinter diesem Microsoft-Produkt stecken und was die neue Version Visual Studio 2010 alles bietet, zeigt folgende Website: visualstudio