Die VDMA-Studie «Automation und IT 2015» zeigt: Der Trend in der Maschinenprogrammierung geht hin zu den Hochsprachen. Bis zum Jahr 2018 wird der verwendete Code zu 69 % ausserhalb der IEC 61131-3 liegen, schätzen die befragten Unternehmen. Die Hochsprachen kommen dabei auf 58 %, während sich die SPS-Sprachen mit 31 % behaupten, dicht gefolgt von Modelliersprachen wie Modellica oder Matlab (26 %).
Was bedeutet das für die Praxis? Die zunehmende Bedeutung der Hochsprachen hängt eng mit der Entwicklung der Automatisierung im Kontext von Industrie 4.0 und dem Internet of Things (IoT) zusammen. Letzteres verknüpft eindeutig identifizierbare, physische Objekte mit ihrer virtuellen Repräsentation in einer internetähnlichen Informationsstruktur, deren Nutzung dem Anwender meist völlig unbemerkt bleibt. Für den Maschinenbau bedeutet das: Hersteller und Anbieter sind gefordert, funktionale Produkte über Sensoren und Aktoren aus der Offline-Welt mit digitalen Diensten zu verbinden, beispielsweise um Nutzungsdaten in der Cloud zu sammeln, zu analysieren und auszuwerten.
Das Internet der Dinge und Dienste wird in Hochsprachen programmiert
Aufgrund seiner hohen Affinität zur Informationstechnologie wird das Internet der Dinge und Dienste in modernen, objektorientierten Hochsprachen programmiert. Aber wie sieht es auf Maschinenebene aus? SPS-Code ist hier nicht mehr ausreichend, um innovative Anwendungen zu erstellen. Dennoch behalten die IEC 61131-3-Sprachen ihre Bedeutung – etwa zur Binärdatenverarbeitung oder I/O-Programmierung. Um hinsichtlich Informationsverarbeitung, Datenmanagement und Vernetzung beide Welten effizient und ohne doppelten Programmieraufwand zu verbinden, brauchen die Maschinenbauer eine intelligente Software – ein interdisziplinäres Bindeglied, das in Steuerungen, Antrieben und Geräten implementiert ist und auf welches die Entwickler standardisiert über ihre jeweils bevorzugten Tools zugreifen können.
Damit Steuerungen und Antriebe homogen in einer heterogenen Automatisierungslandschaft mit einer Vielzahl unterschiedlicher Anwendungen interagieren können, hat Bosch Rexroth das Lösungspaket Open Core Engineering entwickelt. Dessen zentrales Element bildet die offene Technologieschnittstelle Open Core Interface, mit deren Hilfe sich Achsen mit nur wenigen Zeilen Hochsprachencode und ohne SPS-Programmierung bewegen lassen. Damit bildet es eine effiziente Basis für künftige Engineeringaufgaben.
Offene Standards wie OPC UA und die Companion-Spezifikation helfen
Um eine höhere Softwarequalität zu erreichen verfolgt man Paradigmen aus der IT-Welt, wie Modularisierung, Objektorientierung, Wiederverwendbarkeit von Programmcode und Versionskontrollsysteme. Im Hinblick auf die Produktinnovation muss das Engineering einfach und schnell sein. Dies gelingt mit aktuellen SPS-Technologien und -Standards. Mit der zunehmenden Modularisierung von Maschinen und der damit verbundenen Forderung nach multitechnologischen Baukästen profitieren Anwender von einbaufertigen Modulen aus Hard- und Software, etwa einbaufertige Motoren mit Linearführungen oder komplette Hydrauliklösungen mit automatisch geregelten Pumpenantrieben. Diese Baukästen lassen sich ohne Programmierung konfigurieren und dialoggeführt parametrieren. Ein vierter Erfolgsfaktor liegt in der Maschinenbedienung, deren Attribute ein zeitgemässes Nutzungs-erlebnis (User Experience), Web-Technologien und Smart-Apps bilden. Hierzu müssen alle Daten und Informationen des Automatisierungssystems für das Engineering zur Verfügung stehen.
Umfangreiche Software-Tools mit einheitlicher Bedienoberfläche wie IndraWorks von Bosch Rexroth erleichtern den Prozess vom Projektmanagement über die Konfiguration und einheitliche Programmierung von SPS, CNC, Robotik und Sicherheitstechnik bis und mit Inbetriebnahme, Test, Diagnose und Visualisierung. Ein zweites Merkmal des modernen Softwareengineerings sind Funktionspakete für bestimmte Programmierumgebungen. Sie beschleunigen das Implementieren komplexer Maschinenprozesse, optimieren mittels Engineeringschnittstellen den Projekt-Workflow und steigern die Produktivität durch integrierte Funktionserweiterungen, etwa zur automatischen Codegenerierung, Sicherheitstechnik oder beim Energiemanagement.
Der dritte Baustein: offene Standards für die Produktion, allen voran OPC UA und die so genannte Companion-Spezifikation. Diese beschreiben das Mapping von Sercos auf das OPC-UA-Informationsmodell und geben Herstellern wie Anwendern mehr Flexibilität bei der Integration von Geräten – als OPC-UA-Server in Master- und Slave-Geräten, mit oder ohne Echtzeitkommunikation.
Informationsaustausch zwischen Smart Devices und Maschinensteuerungen
Auch der WebConnector hilft dem Entwickler, geräteunabhängig webbasierte Lösungen zu erstellen. Die Kommunikations-Middleware übersetzt als «Dolmetscher» webbasierte Anwendungen in die Sprachen der Maschinen und umgekehrt. Während der WebConnector mit webbasierten Anwendungen beispielsweise über das mit HTML5 eingeführte Web- Sockets-Protokoll kommuniziert, spricht er mit der Steuerung per OPC UA. Auch das leichtgewichtige M2M- und IoT-Protokoll OASIS MQT (Message Queue Telemetry Transport) wird unterstützt. Letztendlich lassen sich so nicht nur innerhalb der Produktion Informationen sicher und umfänglich austauschen, sondern auch zwischen Maschinensteuerungen und Smart Devices. Als konsistentes Bindeglied zwischen Software-Tools, Funktionspaketen und offenen Standards wie OPC UA kommt das vierte Element des Rexroth-Baukastens für ein modernes Softwareengineering zum Tragen: das Open Core Interface. In Verbindung mit dem jeweiligen SDK (Software Development Kit) lässt sich die offene Funktionsschnittstelle mit unterschiedlichen Hochsprachen anwenden, um ein ausgesprochen breites Anwendungsspektrum entlang des typischen Workflows abzudecken – vom Rapid Control Prototyping und modellbasiertem Engineering über individuelle Steuerungsfunktionen und die PC-basierte IT-Automation bis hin zur Verwendung von Smart Devices in der Produktion.
Apps im Kontext von Industrie 4.0 und IoT auch für Steuerungen und Antriebe
Das einfache Erstellen von Smart-Apps im Rahmen von Open Core Engineering ist interessant für den Maschinenbau, weil sie ohne grossen Aufwand neue Wege für die Informationsverarbeitung ebnet, neue Produktökosysteme ermöglicht und neue Geschäftsmodelle eröffnet. Um für Steuerungen und Antriebe von Rexroth native Apps zu erstellen, muss der Programmierer lediglich das Open Core Interface als sogenanntes Software Development Kit direkt in die jeweilige Entwicklungsumgebung (Android Studio oder Xcode) einbinden. Danach kann er mittels Bibliotheken auf den kompletten Funktionsvorrat der Steuerung zugreifen. Geräteunabhängige Apps, die im Browser des Smart Device laufen, lassen sich einfach per WebConnector geräteunabhängig in HTML5, CSS und JavaScript programmieren.
Mit Blick auf Industrie 4.0 sind Maschinenbauer aufgerufen, ihre Lösungen evolutionär weiterzuentwickeln. Mit passenden Funk- tionspaketen und Schnittstellen zu offenen Standards befähigen sie ihre Maschinen zum notwendigen Informationsaustausch und können neben SPS-basierten auch Anwendungen in Hochsprachen integrieren.
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