Fieldware:
Das IoT programmieren
Fieldware bezeichnet den Teil einer Softwarelösung, welcher bei der Installation eines Automatisierungsgerätes – im Feld – also direkt vor Ort programmiert wird. Die Fieldware ist so zu sagen die dritte Programmierebene und wird für die Umsetzung von IoT-Devices zunehmend immer wichtiger. Um diesen Anforderungen gerecht werden zu können, bietet das Unternehmen iniNet Solutions mit seinem Produkt SpiderPLC einen hoch skalierbaren Baukasten für die Programmierung von Funktionsplan sowie HMI im Browser an.
SpiderPLC kann Funktionsplan (FUP) in jedem HTML5 Browser programmieren. (Bild: iniNet Solutions GmbH)
Was genau steckt eigentlich hinter diesen drei Ebenen (siehe Bild oben)? Die 1. Ebene umfasst die Grundfunktionen des Gerätes: OS, Netzwerk, Display, Treiber und Middleware. Dieser Teil der Firmware ist meist in C/C++ implementiert. Die 2. Ebene ist die Applikationsebene. Hier werden Regel- und Steuerungsfunktionen der industriellen Applikation programmiert. Die Umsetzung erfolgt entweder auch in C/C++ oder oftmals IEC61131. Die 3. Ebene ist die Feldebene. I4.0 und IoT fordern vermehrt eine Möglichkeit zur einfachen Programmierung bei der Inbetriebnahme. Die Benutzung der bestehenden IEC61131 Tools ist in diesem Umfeld eher schwierig, da sie für Monteure in ihrem Umfang sowie ihrer Funktion viel zu komplex sind. Bisher kamen für diese Aufgaben hauptsächlich PC-basierte Konfigurationstools oder auch vermehrt Browser-basierte Oberflächen zum Einsatz, mit denen sich die Geräte im Feld für die Aufgaben parametrieren lassen.
Vor allem aber werden im Umfeld von IoT die Anforderungen an die Intelligenz und insbesondere Vernetzung der Geräte permanent höher, weshalb eine einfache Konfigurationsoberfläche nicht mehr Schritt halten kann. An dieser Stelle wird eine Software benötigt, welche von ihrer Denkweise her so funktioniert, wie ihre Anwender ticken. D.h. eine Software, mit der die Installation der betreffenden Geräte für Elektriker und Inbetriebnehmer möglichst einfach umzusetzen ist. Diese Software sollte funktionale Blöcke abbilden, welche mit Kabeln mühelos verbunden werden kann. Dieses Konzept der Programmierung ist unter dem Namen Funktionsplan (FUP) längst verfügbar. Aber damit die FUP-Programmierung auch wirklich feldtauglich wird, braucht es ein Browser-basiertes Programmierwerkzeug, welches die für die Inbetriebnahme relevanten Funktionen in Funktionsbausteine kapselt und zusammen mit einfachen Logik-Gattern die Verknüpfung mit den I/O´s ermöglicht. Ein Online-Debugging ist im Browser ebenso möglich. Im Mittelpunkt eines solchen Fieldware-Konzeptes steht hauptsächlich das Zusammenspiel zwischen der 2. und 3. Ebene: Der Elektronikhersteller kann die grundlegenden Funktionen des spezifischen Gerätes als Teil der Firmware ausprogrammieren (2.Ebene) und anschließend diese Funktion klar gekapselt für die Programmierung im Browser zur Verfügung stellen. Der Programmierer der 3. Ebene kann nun diese Funktion auf sehr einfache Weise nutzen und hat genau den Freiheitsgrad bei der Programmierung, den der Elektronikhersteller frei gegeben hat bzw. frei geben wollte. Die Ausgestaltung sowie der Funktionsumfang des Browser-Programmiertools muss für die Anforderungen verschiedenster Geräte individuell angepasst werden können, d.h. es werden immer nur genau die Funktionsbausteine zur Verfügung gestellt, welche für die Inbetriebnahme des Gerätes notwendig sind.
Die drei Ebenen der Programmierung in der Automation (Bild: iniNet Solutions GmbH)
Ein Praxisbeispiel
Nehmen wir als Praxisbeispiel für ein solches Gerät einen Klimaregler, welcher zur Steuerung von spezifischen Aktoren und Sensoren verwendet wird. Dieser Regler enthält eine IEC61131 Laufzeit, wie beispielsweise Codesys, logi.cals oder OpenPCS sowie die SpiderPLC für die Programmierung im Browser. Die 3. Programmierebene im Browser stellt diverse Funktionsbausteine zur Verfügung, die für dieses Gerät verwendet werden könnten. Hierzu zählen z.B. mehrere für die Aufgabe abgestimmte PID-Reglertypen, Bausteine für die Skalierung von analogen Eingängen für Temperatur, Druck, CO2 und Feuchte, einfache digitale Logikbausteine oder Bausteine zur Kommunikation mit externen Geräten. Die PID-Regleralgorithmen sind als Firmwareteil der 2. Ebene in IEC61131 ausprogrammiert. Der Regler wird bereits mit einer lauffähigen und im Browser fertig programmierten Default-Regelung ausgeliefert. Dieses Schaltbild kann nun im Feld bei Bedarf angepasst werden, beispielsweise wenn an einer Stelle ein anderer Temperatursensor verwendet werden soll. Dazu wird mit dem Browser die FUP-Programmierseite geöffnet, der Baustein zur Skalierung ausgetauscht und z.B. durch Messung von zwei Arbeitspunkten (20 C/ 40 C) kalibriert. Zudem soll zusätzlich ein Alarmkontakt ausgelöst werden, wenn verschiedene Grenzwerte der Regelung überschritten werden. Dazu sind an den entsprechenden Anschlüssen des Reglers Vergleichsbausteine (If Greater) verbunden, mit einem ODER Gatter zusammengefasst sowie auf den gewünschten digitalen Ausgang verbunden.
