Parallel ein gemeinsames Ziel verfolgen

Peter Kemptner ist freier Journalist in Salzburg

Kunden verlangen heute von Maschinen- und Anlagenbauern individuell zugeschnittene flexible Maschinen mit der Fähigkeit zur Integration in Gesamtanlagen – zum Preis und mit der Stabilität eines Großserienproduktes, kurzfristig verfügbar, ohne lange Inbetriebnahmezeiten und selbstverständlich allen Normen und Dokumentationsvorschriften entsprechend. Nicht zuletzt möchten die Nutzer später auch noch durch Nach- oder Umrüstung und durch eigene Eingriffe in die Software auf veränderte Bedarfe reagieren können. Zwangsläufig steigt damit die Komplexität der Maschinen und Anlagen enorm an.

Zur Bewältigung dieser steigenden Produktkomplexität – in überschaubarer Zeit und zu tragbaren Kosten – bedienen sich die Konstrukteure des Maschinenbaus der Mittel der Standardisierung und Modularisierung. Sie schaffen Normteile und Einheitsbaugruppen für einzelne Funktionen, die mittels wohldefinierter Anschlüsse baukastenartig in unterschiedlichen Kombinationen zu verschiedenen Gesamtmaschinen oder -anlagen zusammengestellt werden können. In vielen dieser Konstruktionsbüros gibt es darüber hinaus eine Arbeitsteilung, in denen Spezialisten verschiedene Unterbereiche bearbeiten – ohne dabei den Blick auf die Gesamtmaschine zu verlieren.

„Was in der mechanischen Entwicklung längst selbstverständlich ist, sollte in der Softwareentwicklung ebenso einfach möglich sein“, fordert deswegen Dr. Hans Egermeier, Business Manager Automation Software bei B&R. „In der IT-Welt ist das auch längst gängige Praxis, lediglich im Maschinenbau halten sich hartnäckig Methoden aus der Frühzeit der SPS-Programmierung – sie machen die Softwareentwicklung für komplexe mechatronische Systeme zur herkulischen Aufgabe.“ Das liegt nicht zuletzt an der weit verbreiteten Vorstellung von Produktentwicklungsvorgängen als strikt sequentiellen Vorgängen – trotz immer komplexer werdenden Abläufen innerhalb von Maschinen und Anlagen. Dabei wachsen Themen wie SPS, CNC, Robotik, intelligente Achsregelung, Visualisierung und Kommunikation immer weiter zusammen.

Um die zunehmende Komplexität funktionaler Abläufe, das Steuerungsverhalten ganzer Maschinen und von Regelungsalgorithmen beherrschbar zu halten, muss auch die Software modular aufgebaut sein. In Analogie zur Mechanik mit ihren Normteilen funktioniert das über Baukästen in Form von Bibliotheken mit einzelnen Funktionen, Abläufen und Reglern. Die Möglichkeit, einzelne Unterprogramme als Funktionsblöcke in Bibliotheken abzuspeichern und durch Aufruf im Hauptprogramm zur Wirkung zu bringen, existiert bereits seit längerer Zeit und wird von Programmierern intensiv genutzt. Ebenso ist in bereits existierenden Versionen von Automation Studio die Möglichkeit zur objektorientierten Programmierung in C++ vollständig integriert. Bei dieser Art der Softwareerstellung bedient sich der Entwickler einer Struktur aus Programmklassen, die als funktionale Behälter für kleine und kleinste Funktionsprogramme dienen. Durch Zuweisung von Werten werden sie zu Programmobjekten, die wie Bausteine zusammengesetzt, aber auch ineinander geschachtelt werden können. „Diese objektorientierte Programmierung ist die Schlüsseltechnologie zur Modularisierung von Software“, sagt Wolfgang Portugaller, Leiter Systemarchitektur bei B&R. „Sie hilft, größere Programme übersichtlich zu halten und dabei, ihre Wartbarkeit nachhaltig zu erhöhen.“ Allerdings ist die Granularität trotz der Möglichkeiten zur hierarchischen Strukturierung von Objekten recht fein. Und trotz objektorientierter Programmierung müssen die Softwareentwickler zuletzt alle Teile einer Maschinenprogrammierung in einem Gesamtprogramm zusammenführen, um sie als Ganzes für die Maschine oder Anlage zu übersetzen, zu testen und in Betrieb zu nehmen.

Eine der Stärken von Automation Studio 4 ist die Modularisierung auf einer höheren Ebene durch autonom lauffähige Applikationsmodule. Diese können unterschiedlich groß sein und einzelne Funktionen, aber auch ganze Maschinenteile oder Teilmaschinen repräsentieren. In ihrem Inneren können sie hierarchisch aus einzelnen Funktionsblöcken, ganzen Programmen oder beliebigen Mischungen davon bestehen.

Neben einer erleichterten Abbildung modularer Maschinenkonzepte erlaubt die Modularisierung mittels Applikationsmodulen eine Verteilung der gesamten Entwicklungsaufgabe auf mehrere Entwickler, die nicht notwendigerweise im selben Haus sitzen müssen. So ist es zum Beispiel ohne großen Aufwand möglich, externe Automatisierungsdienstleister hinzuzuziehen oder Teile der Programmierung vom Kunden vornehmen zu lassen. Dabei können nicht nur funktional unterschiedliche Teilprogramme auf die jeweiligen Spezialisten aufgeteilt, sondern auch große Einzelaufgaben auf mehrere Entwickler verteilt werden.

Das beschleunigt die Softwareentwicklung wesentlich: Auf der Grundlage vereinbarter Schnittstellen können diese Applikationsmodule gleichzeitig entwickelt und durch Simulation der Umgebung ausführlich getestet werden, ohne dass dies gleichzeitig erfolgen muss. Darüber hinaus bietet Automation Studio 4 eine ganze Reihe vorgefertigter Bibliotheken und Funktionsmodule – etwa für die Ansteuerung von Antriebsachsen. Diese Bibliotheken und Module müssen nur noch in das eigene Projekt integriert werden.

Der Austausch von Daten zwischen den einzelnen Applikationsmodulen erfolgt dabei mithilfe des Mappings von Prozessvariablen, ein bereits heute bewährter Mechanismus – die Variablen müssen nicht global von außen definiert werden. Der Grund: Innerhalb des Applikationsmoduls wird definiert, welches andere Modul zu welchen Bereichen des eigenen Adressraums Zugriff erhält. Auf diese Weise muss nicht im ersten Projektierungsschritt alles angedacht sein. Auch im Laufe der Entwicklung kann die Definition von Schnittstellen zum Datenaustausch erfolgen.

Das Kompilieren der Applikationsmodule erfolgt einzeln. Sie können daher für Tests und zur sukzessiven Inbetriebnahme nach und nach in die Zielhardware geladen werden, was die Fehlersuche und -behebung stark erleichtert und beschleunigt. Als Gemeinsamkeit ist für die weitgehend voneinander getrennten Komponenten lediglich eine Software-Konfiguration und eine Hardware-Konfiguration als Information über die Laufzeitumgebung erforderlich, in der sie im Endeffekt arbeiten müssen. Änderungen erfolgen sowohl in der Prototypenphase als auch im Fall späterer Weiterentwicklungen in klar umrissenen Teilen der Gesamtanlage, was das Risiko von Qualitätsverlust durch schnelle Änderungen minimiert. Auch kann der Zertifizierungsaufwand nach einer Änderung gering gehalten werden, da nur die von der Änderung direkt betroffenen Module einer erneuten Prüfung unterzogen werden müssen.

Für Maschinenbau-Unternehmen ergibt sich daraus eine weitere Möglichkeit zur wirtschaftlicheren Gestaltung der Softwareentwicklung: Die bisher meist übliche Entwicklung ganzer Maschinengenerationen kann durch eine sukzessive Weiterentwicklung der einzelnen funktionalen Teile der Gesamtanlage ersetzt werden. Das sorgt für eine kontinuierliche Auslastung der Entwicklungsteams und für eine Verminderung des Drucks, der durch notorisch knappe Fertigstellungstermine entsteht.

„Tendenziell steigt dadurch die Softwarequalität“, ist Portugaller überzeugt. „Die durch die einfache Wiederverwendung bereits fertig entwickelter Applikationsmodule in unterschiedlichen Maschinenprojekten eingesparte Zeit kann in umfangreichere Tests investiert werden und rechnet sich rasch durch stark verkürzte Inbetriebnahmezeiten.“ Das sei nicht nur im Sinne von optimaler Nachhaltigkeit und maximaler Entwicklungseffizienz, das sei vor allem im Interesse des Kunden. co