Vom Controller-Chip zur Embedded SPS

Embedded-SPS - Ein wichtiges Kriterium für den Anwender einerSpezialsteuerung ist die freie Programmierbarkeit in einer gängigen SPS-Sprache. Ein neuer Embedded Controller mit IEC 1131-3-Laufzeitsystem erlaubt jetzt die Entwicklung von Sondergeräten, die nebender Sonderfunktion auch Standard-Steuerungsaufgaben übernehmen.

22. Juni 2005

Passt ein komplettes IEC 11313- Laufzeitsystem einschließlich Web-Server zusammen mit dem Multitasking-Echtzeitbetriebssystem auf einen 16-Bit-Controller mit nur 512 KB RAM und 512 KB Flash? Und das bei einer Performance und einem freien Anwenderspeicher, die mit marktüblicher, teilweise sogar üppigerer Hardwareausstattung mithalten können? Vor dieser Frage standen die Entwickler der Beck IPC GmbH aus Wetzlar, als die Idee aufkam, den neuen Beck ›IPC@CHIP SC13‹ neben der bisherigen Hochsprachenprogrammierung auch mit einem Laufzeitkern für IEC 11313 auszustatten.

Bereits seit 1999 verkauft das Unternehmen erfolgreich den Vorgänger mit dem Namen IPC@CHIP SC12 mit einem Am 186-Prozessor, Becks hauseigenem Echtzeit-Multitasking-Betriebssystem RTOS, Ethernet und Web-Technologie. Das komplett vorinstallierte Betriebssystem beschränkt die Entwicklung auf die Hardwareanschaltung mit Hilfe eines Standard-Microcontroller-Interfaces mit Adress- und Datenbus sowie auf die Entwicklung der Anwendersoftware und ggf. Hardwaretreiber für anwendungsspezifische Anschaltungen.

Programmiert wird der als ›web-enabling device‹ konzipierte Baustein in C/C++. Sein Einsatzschwerpunkt liegt deshalb vor allem im Bereich der Kommunikationsanwendungen, wie z.B. Ethernet- und Web-Gateways (›web-enabling‹), Datenlogger oder SPS-Überwachung. Beck und Festo verwenden den IPC@CHIP aber auch in ihren Steuerungsserien BC Compact und FEC Standard. Für Industrie-Kunden ist es jedoch meist zu aufwändig, aus diesem IPC@CHIP eine frei programmierbare Spezialsteuerung zu machen: Sie wünschen sich die Programmierbarkeit in einer gängigen SPS-Sprache, damit viele Sondergeräte zusätzlich Standardsteuerungsaufgaben übernehmen können, für die bisher noch eine zusätzliche SPS vorgesehen werden muss.

Möglich wird dies jetzt mit dem neuen IPC@CHIP SC13, den das Unternehmen auf der »SPS/IPC/Drives 2003« erstmals der Öffentlichkeit präsentiert hat: Dieser Controller-Chip mit einem von Beck selbst entwickelten 186-Prozessor und einem 100- MBit/s-Ethernet-Interface wird erstmals auch in einer Variante mit einem speziell an das Betriebssystem RTOS angepassten IEC 11313-Laufzeitsystem verfügbar sein. Die Auslieferung an ausgewählte Kunden begann zur Embedded World 2004 vor wenigen Wochen. Der Serienstart für diesen Chip ist für Mai 2004 geplant.

Der IPC@CHIP wird damit zur Embedded-SPS. Damit lassen sich erstmals auch Steuerungen in den für Sondergeräte üblichen Stückzahlen wirtschaftlich entwickeln, die neben der Sonderfunktion auch Standardsteuerungsaufgaben übernehmen können.

Programmiert wird der IPC über das System CoDeSys des Kemptener Unternehmens 3S Software, das ein großes Spektrum an Prozessoren und Betriebssystemen unterstützt. Bei Beck IPC kommt dieses System nicht nur auf dem IPC@CHIP zum Einsatz, sondern auch auf den kompakten und modularen Beck-Controllern, die eine breite Palette an Prozessoren verwenden - vom IPC@CHIP bis hin zur 32Bit-Hochleistungs-CPU. Damit steht nun für alle Beck-Steuerungen ein einheitliches Programmiertool für IEC 11313 zur Verfügung.

Das Laufzeitsystem von CoDeSys kompiliert das IEC 11313-Anwenderprogramm vor der Ausführung auf der Steuerung. Gerade auf einem 16-Bit-System bringt das erhebliche Performance-Vorteile gegenüber interpretierenden Systemen. Zum Standard gehören die Programmierung und das Debugging über Ethernet ebenso wie der Datenaustausch und Web-Visualisierung über Ethernet zur Laufzeit. Die integrierte Visualisierung, Alarmhandling und Rezepturwaltung ermöglichen einfache Visualisierungsaufgaben underleichtern die Inbetriebnahme.

Im Idealfall lässt sich das mit dem IPC@CHIP entwickelte Sondergerät genauso programmieren wie die bereits im Einsatz befindlichen Standard-SPS, unabhängig von dessen Hersteller.

Der Programmiereditor, der unter allen Windows-Versionen läuft, ist kostenfrei verfügbar. Durch die Installation eines zusätzlichen Target-Treibers lässt sich eine bereits bestehende CoDeSys-Programmierumgebung einfach um weitere Steuerungstypen auch eines anderen Herstellers erweitern.

Der Aufbau einer eigenen frei programmierbaren Sondersteuerung aus dem IPC@CHIP mit CoDeSys ist gemessen an herkömmlichen Entwicklungssystemen minimal: Neben der Betriebsspannung von 5 Volt benötigt der IPC ein minimales Ethernet-Interface, bestehend aus einem Übertrager und einigen passiven Bauteilen für die Verbindung zum PC mit demCoDeSys-Programmiereditor, um von dort aus das kompilierte Projekt herunterzuladen. Alternativ kanneine der beiden seriellen Schnittstellen des IPC@CHIP als Programmierschnittstelle verwendet werden.

Die Implementierung der Prozessschnittstelle mitdem Leistungstreiber, Digital/Analogwandlern, Feldbus-Controllern oder anderen Spezialbausteinen erfolgt über die E/A-Leitungen, den Adress-/Datenbus oder die beiden seriellen Schnittstellen des IPC@CHIP. Der Kunde kennt die benötigten Interface-Bausteine am besten. In einem letzten Schritt müssen noch die Software-Treiber und Bausteine geschrieben werden, um vom IEC 11313-Programm auf die Prozessdaten zugreifen zu können. Das geschieht in der Regel in der Programmiersprache C, kann aber bei Bedarf auch innerhalb IEC 11313 geschehen, da sich sämtliche wichtigen API-Funktionen des Chip-Betriebssystems direkt vom IEC 611313-Programm aus ansprechen lassen. Besonders sinnvoll ist dies, wenn noch keine optimierten C-Treiber zur Verfügung stehen - wie etwa beim Rapid-Prototyping. In diesem Falle ist es möglich, schon im strukturierten Text direkt auf die E/A-Adressen des IPC@CHIP zuzugreifen oder ein TCP/IP-Protokoll zu implementieren.

Erschienen in Ausgabe: 01/2004