Ein typischer Engpass ist auch im Maschinenbau die Software-Programmierung – wenn sie manuell und erst im Anschluss an die Konstruktion erfolgt – doch eine automatische Code-Generierung über die TIA Openness Schnittstelle spart Zeit und Ressourcen, Hard- und Software werden parallel entwickelt. Die Anforderungen im Maschinenbau steigen: Steuerungen und Abläufe werden komplexer, Softwarelösungen entsprechend wichtiger. Kunden erwarten individuelle Lösungen und flexible Anpassungen – und das in kurzer Zeit. Um hier Schritt halten zu können, genügt es nicht mehr, nur die Hardwareentwicklung zu beschleunigen. Der eigentliche Engpass ist bei vielen Herstellern die Softwareentwicklung, die in großen Teilen noch manuell und nachgelagert zur Konstruktion erfolgt. Programmier-Ressourcen sind zudem rar und teuer. Die Lösung liegt in der Automatisierung der Programmierung, beginnend mit der SPS-Programmierung. Der Weg dahin wird im Folgenden anhand der Openness Schnittstelle des TIA Portals für Siemens-Steuerungen aufgezeigt.
Maschinenkomponenten und modulare Bausteine für die automatische Codegenerierung über die TIA Openness Schnittstelle
Voraussetzung ist zunächst eine Unterteilung der Maschine in ihre physischen Komponenten. Basierend auf dieser Untergliederung werden dann im ersten Schritt für alle der verwendeten Aktoren und Sensoren standardisierte Programm-Bausteine erstellt. Dabei kann idealerweise schon die Anbindung an Drittsysteme wie etwa den digitalen Zwilling oder externe Software-Test-Systeme realisiert werden. Zu jedem Code-Baustein kann parallel auch bereits der entsprechende Bildbaustein zur Standardisierung im Human-Machine-Interface (HMI) generiert werden.
Diese Standardisierungen sind zunächst aufwändiger als einfache Programmiervorgänge und erfordern auch Know-how und Ressourcen, die intern oft nicht verfügbar sind. Daher empfiehlt sich hier meist externe Unterstützung im Rahmen eines Pilot-Projekts. Bereits im Ergebnis dieser ersten Stufe, der Baustein-Standardisierung, lassen sich durch die wiederholte Nutzung der Bausteine Zeit und Ressourcen einsparen und Fehler vermeiden. Die Programme werden transparent, leicht verständlich auch für die Anwender, in der Nutzung und Wartung sowie beim Umbau.
Automatisierungsanwendung über TIA Openness
Für die eigentliche Programmierung, also die Verschaltung der einzelnen Bausteine, würden nun aber wieder Programmierleistungen benötigt. Nach dem klassischen Projektierungsansatz werden zuerst in der mechanischen Konstruktion die einzelnen Komponenten mit ihren Funktionalitäten, wie etwa Antrieb vorwärts / rückwärts definiert, bevor auch die elektrische Verschaltung geplant werden kann. Erst danach, auf Basis dieser beiden Pläne, wird anschließend das SPS-Programm geschrieben. Es geht nun darum, auch diesen Schritt zu automatisieren.
Mit dem TIA Portal stellt Siemens dafür eine zentrale Entwicklungsumgebung zur Verfügung. Über die Openness-Schnittstelle können Funktionen dieser Umgebung über selbst entwickelte Applikationen (fern-) gesteuert werden. Der Umfang der dafür freigeschalteten Funktionen wird vom Hersteller fortlaufend erweitert. Grundsätzlich können Anwender entsprechende Applikationen selbst erstellen. In den meisten Fällen wird aber der Rückgriff auf bestehende Entwicklungen die günstigere Lösung sein. Aus zwei Gründen: Für die Programmierung sind fundierte Kenntnisse und Erfahrungen sowohl in SPS als auch in der Hochsprachenprogrammierung nötig. Experten, die beides beherrschen, sind selten und würden in Maschinenbauunternehmen auch eher punktuell und nicht dauerhaft eingesetzt. Zweitens braucht die Entwicklung einer solchen Anwendung ihre Zeit, selbst mit umfangreichem Know-how und den nötigen Personalressourcen. Im Fall von Blue Automation etwa wurden über zwei Jahre Arbeit in Entwicklung und Optimierung eines entsprechenden Automatisierungstools investiert.
Side-by-side Engineering: Wie Konstruktion und Software-Entwicklung parallel laufen
Für die Nutzer solcher Anwendungen oder Tools dagegen ist der Aufwand überschaubar: Es sind lediglich alle verwendeten Komponenten mit ihren zugehörigen Informationen, also etwa Betriebsmittelkennzeichen oder die Zuordnung der Ein- und Ausgänge, in einer Excel-Tabelle zusammenzufassen. Diese Liste kann ein Konstrukteur bereits in der Konstruktionsphase ausfüllen. Mit dem Automatisierungstool werden die Daten dann eingelesen und über die Openness-Schnittstelle übertragen. Im Ergebnis wird automatisch ein Grundprogramm generiert, das bereits die Inbetriebnahme der Einrichtfunktionen ermöglicht. Bis zu diesem Punkt sind keine Programmierleistungen erforderlich. Für Serienmaschinen könnte sogar der komplette Code, einschließlich des automatischen Ablaufs, auf diese Weise automatisch erstellt werden.
Programmierschritte, für die in manueller Arbeitsweise oft bis zu zwei Wochen nötig waren, können also mit Hilfe spezieller Automatisierungs-Tools in wenigen Minuten erledigt werden. Noch wichtiger aber ist die Möglichkeit des Side-by-side Engineerings von Hard- und Software, die sich daraus ergibt: Da alle nötigen Daten schon während der Konstruktionsphase zusammengestellt werden, beginnt die Software-Programmierung bereits parallel und nicht erst im Anschluss an die Hardware-Entwicklung. Damit verkürzt sich die Projektierungsphase insgesamt.
Um das Vorgehen noch weiter zu vereinfachen, ist das nächste Ziel der direkte Datenimport aus den Konstruktions- und E-Plan-Umgebungen, ohne den „Umweg“ über eine manuell zu befüllende Excel-Tabelle.
Ausblick: Weitere Automatisierungsmöglichkeiten
Als zentrale Entwicklungsumgebung verknüpft das TIA Portal SPS, HMI und Antriebstechnik, für die früher noch jeweils eigene Programme und Entwicklungsumgebungen benötigt wurden. Daraus ergeben sich zusätzlich zur SPS-Programmierung noch weitere Automatisierungsschienen: Für die automatisierte Programmierung der Bedienpanel (HMI) und schließlich auch für die automatische Generierung und Inbetriebnahme von Antrieben.
Über die Verbindung zum Digital Twin, dem virtuellen Zwilling, lassen sich zudem automatische Software- und Mechaniktests noch während der Projektierungsphase durchführen. Auch Stress- und Langzeittests können integriert werden. In Zukunft wird auch in diesem Bereich die Nutzung von KI eine wichtige Rolle spielen.
Auch wenn manche dieser Entwicklungen noch etwas Zeit brauchen werden: Maschinenbauer, die bereits heute die Chancen der automatischen Software-Programmierung nutzen, sind in jedem Fall in der Lage, schnell und flexibel auf Kundenerwartungen zu reagieren und halten ihre wichtigen Programmier-Ressourcen frei, um innovative, kundenspezifische Konzepte zu entwickeln. Manuel Fromme, Blue Automation
