Spricht Ihre SPS MATLAB?

Je später im Entwicklungszyklus ein Fehler erkannt und behoben wird, desto kostspieliger und unangenehmer wirkt er sich aus. [Quelle: Return on Investment for Independent Verification & Validation, NASA, 2004]

DI Philipp H. F. Wallner
MBA Industry Manager Industrial Automation & Machinery bei Mathworks GmbH

„Das automatische Generieren von SPS-Programmen aus Simulationsmodellen mit MATLAB und Simulink hilft, die steigende Komplexität von Maschinen und Anlagen handhabbar zu machen und das Risiko von Implementierungsfehlern ebenso zu minimieren wie die Time-to-Market.“

Der Maschinenbau ist im Wandel. Während in der Vergangenheit die Mechanikentwicklung die Entstehung einer Produktionsmaschine dominiert hat, sind es heute umfangreiche und anspruchsvolle Steuerungsprogramme, die das Kern-Know-how beinhalten – und die der Maschine „Leben einhauchen“. Während die Bedeutung von Software im Maschinenbau mittlerweile unbestritten ist, werden Steuerungsprogramme nach wie vor kaum strukturierten Tests unterzogen, sondern meist erst an der realen Maschine „ausprobiert“. Um den Termin nicht zu verzögern, wird die Maschine weitgehend ungetestet ausgeliefert. Fehler und Stillstände im Feld, verbunden mit kostenintensiven Update-Einsätzen sind die Folge.

Durch modellbasierte Entwicklung findet eine weitere Abstraktion der Programmierung von Maschinensoftware statt, die dabei hilft, die steigende Komplexität handhabbar zu machen.

Getestete Software durch modellbasierte Entwicklung

Aus diesem Grund setzen immer mehr führende Maschinenbauer auf modellbasierte Entwicklung („Model-Based Design“) und automatische Generierung von Steuerungscode. Modellbasierte Entwicklung erlaubt umfangreiche Tests der Software, lange bevor die Maschine zur Verfügung steht und der Schaltschrank fertig verkabelt ist. Möglich wird das durch Simulationsmodelle, die das Verhalten der Mechanik und Elektrik im Zusammenspiel mit der Steuerungssoftware wiedergeben.

Fehler, die sonst nur durch umfangreiche Tests an der Maschine festgestellt und damit sehr spät im Entwicklungsprozess gefunden und behoben worden wären, sind damit frühzeitig erkennbar. Auch Testfälle, die wegen Gefährdung von Mensch und Maschine normalerweise gar nicht durchgeführt werden können, sind in der Simulation gefahrlos zu beobachten. Damit werden das Risiko von Verzögerungen bei der Auslieferung und kostenintensiven Stillständen im Feld minimiert und Kosten für physikalische Prototypen reduziert.

Führende Steuerungshersteller unterstützen die automatische Generierung von SPS-Code (IEC 61131-3 ST oder C/C++) aus MATLAB und Simulink.

Steuerungssoftware auf Knopfdruck

Die in der Simulation überprüften Funktionen werden auf Knopfdruck auf die Steuerung – SPS oder Industrie-PC – übertragen. Die Vorteile der automatischen Generierung von SPS-Code liegen auf der Hand: Zum einen werden die bereits getesteten Funktionen fehlerfrei in für die Steuerung verständlichen Quellcode (C, C++ oder IEC 61131-3 Strukturierter Text) übersetzt. Selbst bei sehr umfangreichen Programmen kommt es dabei nicht zu Implementierungsfehlern, die auch erfahrene Programmierer bei manueller Programmierung kaum vermeiden können. Zum anderen kann sich der Entwickler auf seine Kernkompetenz – z. B. die Entwicklung einer Ablaufsteuerung oder eines Regelalgorithmus – konzentrieren und muss sich nicht mit den Besonderheiten der jeweils eingesetzten SPS-Sprache auseinandersetzen.

Auch der Wechsel von einer Sprache in eine andere oder von einer Steuerungsplattform auf eine andere ist einfach möglich. Das Modell bildet hier stets den Ausgangspunkt für die automatische Codegenerierung. Der automatisierte Workflow verkürzt die aufgewendete Entwicklungszeit von der Anforderung bis zur fertigen Implementierung und schafft damit Zeit für Innovationen.

Insgesamt findet eine weitere Abstraktion der Programmierung von Steuerungen statt. Wurde in den Anfängen das Programm in Maschinensprache oder Assembler implementiert, unterstützen die Entwicklungsumgebungen der Steuerungshersteller heute Hochsprachen wie C, C++ oder die in der IEC 61131-3 Norm zusammengefassten Sprachen. Durch die zunehmende Bedeutung modellbasierter Entwicklung kommt mit der automatischen Generierung von SPS-Code aus Simulationsmodellen eine weitere Abstraktionsschicht hinzu, die die Komplexität umfangreicher Maschinenapplikationen handhabbar macht. Hier darf jedoch keinesfalls der Fehler gemacht werden, die Modelle in Simulink als eine Art grafischer Programmierung zu verstehen. Es handelt sich vielmehr um ausführbare Spezifikationen, die eine frühzeitige Absicherung der Funktionalität durch Simulation und die Erstellung von Steuerungsprogrammen durch automatische Codegenerierung ermöglichen.

Spricht Ihre SPS MATLAB?

In Branchen wie der Automobil- oder Luftfahrtindustrie seit vielen Jahren etabliert, gewinnt das Thema automatische Codegenerierung auch im Maschinenbau immer mehr an Bedeutung. Das spiegelt sich auch in der Tatsache wider, dass die meisten gängigen Hersteller von Industriesteuerungen und Industrie-PCs bereits Schnittstellen zu MATLAB und Simulink anbieten.

Der Ablauf für die automatische Codegenerierung ist dabei folgender: MATLAB-Algorithmen oder Simulink-Modelle werden auf Knopfdruck in für die Steuerung verständlichen Quellcode – IEC 61131-3 ST, C oder C++ – umgewandelt und in die Entwicklungsumgebung des Steuerungsherstellers integriert. Das vereint die Vorzüge beider Systeme. Funktionen für Ablaufsteuerungen, Regelalgorithmen sowie für die Echtzeitauswertung von Prozessdaten werden in MATLAB und Simulink entwickelt, während die Anbindung an die Steuerungshardware und die Erstellung der Maschinenvisualisierung in der Entwicklungsumgebung für die SPS erfolgen.

Dass die automatische Generierung von Maschinenprogrammen von innovativen Unternehmen, die sich als Marktführer in ihren Segmenten behaupten, bereits erfolgreich eingesetzt wird, bestätigen auch die Steuerungshersteller.

Automatische Programm-Generierung steigert Effizienz

Da die Anforderungen an Produktqualität, Maschineneffizienz und eine Reduktion der Time-to-Market stetig steigen, entstehen neue Entwicklungsabläufe. Diese ermöglichen es, Maschinensoftware effizienter und weniger fehleranfällig zu entwickeln. Alternative Entwürfe können mittels Simulation schnell und einfach durchgespielt und im Anschluss als wiederverwendbare Softwarebausteine automatisch auf eine Industriesteuerung übertragen werden. Führende Maschinenbauer haben das erkannt und setzen bereits heute modellbasierte Entwicklung und automatische Generierung von Steuerungscode für die Entwicklung ihrer Kernkomponenten ein.