DE102016121541A1

DE102016121541A1 - Austausch von Echtzeitdaten zwischen Programmmodulen

Info

Publication number: DE102016121541A1
Application number: DE102016121541.4A
Authority: DE
Inventors: Henning Heutger; Tobias Drewes; Rolf Kleinow; Alexander Bach; Jens Frieben
Original assignee: Phoenix Contact GmbH and Co KG
Current assignee: Phoenix Contact GmbH and Co KG
Priority date: 2016-11-10
Filing date: 2016-11-10
Publication date: 2018-05-17
Also published as: DE102016121541A8

Abstract

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zum Austausch von Echtzeitdaten zwischen Programmmodulen 11, 12, 13. Das Verfahren weist ein Bereitstellen einer Datenspeichereinrichtung 20 und ein Speichern von Metainformation 21-31 in der Datenspeichereinrichtung 20 auf, wobei die Metainformation 21-31 mindestens eine Variable aufweist. Ferner sieht das Verfahren ein Bereitstellen mindestens einer Beschreibungsdatei und ein Konfigurieren der Datenspeichereinrichtung 20 mit der Beschreibungsdatei vor. Ferner weist das Verfahren ein Bereitstellen mindestens eines Konnektors 14 auf, wobei mit dem Konnektor 14 zwischen Programmmodulen 11, 12, 13 über die Datenspeichereinrichtung 20 eine Verbindung in Abhängigkeit einer Anfrage in der Beschreibungsdatei herstellbar ist und wobei die Programmmodule 11, 12, 13 unter Verwendung gleicher oder unterschiedlicher Programmiersprachen erstellt sind und von einem Echtzeitbetriebssystem ausführbar sind. Ferner weist das Verfahren ein Austauschen von mindestens einer Variablen 21-31 zwischen einem der Programmmodule 11, 12, 13 und der Datenspeichereinrichtung 20 über den Konnektor 14 auf.

Description

Die vorliegende Erfindung liegt auf dem Gebiet der Automatisierungstechnik und betrifft ein Verfahren zum Austausch von Echtzeitdaten zwischen Programmmodulen. Ferner betrifft die vorliegende Erfindung eine Datenspeichereinrichtung, eine Vorrichtung zum Datenaustausch zwischen Programmmodulen, ein Echtzeitbetriebssystem und ein Computerprogrammprodukt.
Durch aktuelle Thematiken, wie beispielsweise Industrie 4.0, dem Internet der Dinge oder Agenda CPS des VDI, wird aufgezeigt, dass sich in Zukunft automatisierte Anlagen durch einen hohen Teil von Vernetzung und Software auszeichnen werden. Dabei wird es einen Wechsel von der klassischen IEC 61131-3 Programmierung hin zu modernen Hochsprachen geben. Bis zum Jahr 2018 soll der verwendete Code rund 70% außerhalb der nach IEC definierten Sprachen liegen. Dabei werden die bestehenden Anforderungen, wie zum Beispiel Echtzeitfähigkeit und Konsistenz, um höhere Flexibilität, mehr Sicherheit und bessere Wartbarkeit ergänzt.
Bei der Vernetzung von Sensoren nimmt die Echtzeitfähigkeit des Gesamtsystems eine bedeutende Rolle ein. Dies ist insbesondere in einer industriellen Umgebung mit zeitkritischen Abläufen von Bedeutung. Daher ist es notwendig, alle Systemkomponenten einer Automatisierungsanlage in ihrer Echtzeitfähigkeit zu verbessern. Hierbei werden durch die zukünftigen Entwicklungen die Speichereinrichtungen und die darauf zugreifenden Programmmodule besonders im Vordergrund stehen, da tendenziell eine anwachsende Anzahl an Daten gespeichert und verarbeitet werden müssen.
Es ist eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine Lösung anzugeben, um einen Datenaustausch zwischen Programmmodulen in Echtzeit zu verbessern.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die Merkmale des Patentanspruchs 1 gelöst. Ferner wird die Aufgabe durch eine Datenspeichereinrichtung gemäß Patentanspruch 12, eine Vorrichtung zum Datenaustausch zwischen Programmodulen gemäß Patentanspruch 14, ein Echtzeitbetriebssystem gemäß Patentanspruch 15 und ein Computerprogrammprodukt gemäß Patentanspruch 16 gelöst. Weitere Ausgestaltungen ergeben sich aus den Unteransprüchen.
Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren zum Austausch von Echtzeitdaten zwischen Programmmodulen wird ein Bereitstellen einer Datenspeichereinrichtung und ein Speichern von Metainformation in der Datenspeichereinrichtung vorgesehen, wobei die Metainformation mindestens eine Variable aufweist. Ferner sieht das Verfahren ein Bereitstellen mindestens einer Beschreibungsdatei und ein Konfigurieren der Datenspeichereinrichtung mit der Beschreibungsdatei vor. Ferner weist das Verfahren ein Bereitstellen mindestens eines Konnektors auf, wobei mit dem Konnektor zwischen Programmmodulen über die Datenspeichereinrichtung eine Verbindung in Abhängigkeit einer Anfrage in der Beschreibungsdatei herstellbar ist und wobei die Programmmodule unter Verwendung gleicher oder unterschiedlicher Programmiersprachen erstellt sind und von einem Echtzeitbetriebssystem ausführbar sind. Ferner weist das Verfahren ein Austauschen von von mindestens einer Variablen zwischen einem der Programmmodule und der Datenspeichereinrichtung über den Konnektor auf.
In der Automatisierungstechnik ist ein Wandel abzusehen, der von der Verwendung von klassischen SPS Programmiersprachen hin zum Einsatz von Hochsprachen erfolgt. Demzufolge wird erfindungsgemäß ermöglicht, auch bei der Verwendung von Programmmodulen, die in unterschiedlichen Programmiersprachen geschrieben wurden, auf einen gemeinsamen Datenspeicher bzw. eine Datenspeichereinrichtung in Echtzeit zugreifen.
Bisher regelt beispielsweise die Norm IEC 61131 die Syntax und die Semantik von Programmiersprachen für programmierbare Controller. Hierbei wird eine vereinheitlichte Suite von Programmiersprachen für programmierbare Controller vorgeschlagen. Diese Suite weist zwei Textsprachen (Instruction List und Structured Text) sowie zwei graphische Sprachen (Ladder Diagram und Function Block Diagram) auf. Ferner werden in der Norm IEC 61131 (Ausgabe 3.0, 2013-02) Merkmale definiert, die die Kommunikation zwischen Programm-Controllern und weiteren Komponenten eines automatisierten Systems vereinfachen sollen.
Es können jedoch auch andere Programmiersprachen erfindungsgemäß verwendet werden, die von den derzeit klassischen Programmiersprachen nach IEC 61131 abgelöst werden bzw. derzeit bereits parallel zu diesen eingesetzt werden. Es können beispielsweise Programmmodule verwendet werden, die jeweils mindestens in einer der Programmiersprachen nach der Norm IEC 61131, in Matlab/Simulink, C++, C# oder JAVA oder Python programmiert ist. Weitere Programmiersprachen sind ebenfalls möglich.
Demnach kann für alle Programmmodule eine einzige Programmiersprache verwendet werden. Auch ist es möglich, dass für zwei oder mehrere Programmmodule unterschiedliche Programmiersprachen verwendet werden.
Die Programmmodule werden beispielsweise mit Hilfe einer Programmierschnittstelle, insbesondere mit einer API (API = application programming interface,) gesteuert. Die Beschreibungsdatei kann beispielsweise als XML-Datei (XML = Extensible Markup Language Datei) bereitgestellt werden.
Die Programmierschnittstelle bzw. das API der Datenspeichereinrichtung ermöglicht einem Anwendungsentwickler, die veröffentlichten Variablen mit ihren Metainformationen zu durchsuchen und Konnektoren zur Laufzeit zu etablieren. Neben einer statischen Verknüpfung über Konnektoren können so auch dynamische Verbindungen über Konnektoren aufgebaut werden. Dies kann für Komponenten erforderlich sein, deren Datenzugriff sich zur Laufzeit verändert, wie zum Beispiel ein OPC-UA Server (OPC-UA = Open Platform Communications Unified Architecture), der das Browsen von Datenpunkten zu jedem Zeitpunkt anbieten kann. Durch ein entsprechendes Protokoll können Konnektoren auch geräteübergreifend aufgebaut werden. Für detaillierte Analysemöglichkeiten und Fehlersuche bietet die Programmierschnittstelle bzw. das API darüber hinaus die Möglichkeit alle aufgebauten Konnektoren aufzulisten.
Die Konfiguration der Datenspeichereinrichtung und ihrer Konnektoren kann durch eine Beschreibungsdatei oder eine Mehrzahl von Beschreibungsdateien erfolgen, beispielsweise in Form einer XML-Datei oder mehrerer XML-Dateien. Diese Beschreibungsdateien erlauben ein Konfigurieren statt ein Programmieren. Damit kann die Funktion einer Anlage zur Laufzeit verändert werden, ohne dass die einzelnen Applikationsteile neu übersetzt werden müssen. Auch erlaubt es dem Benutzer die Verwendung von Beschreibungsdateien bzw. eine XML-basierte Konfiguration, Anpassungen direkt an der Steuerung vorzunehmen oder eigene externe Werkzeuge und Toolchains zu verwenden. Der Aufbau einer Beschreibungsdatei bzw. XML-Datei wird dabei durch klar definierte Schemadateien vorgegeben, welche eine schnelle Überprüfung der Konfiguration ermöglichen.
Neben der Konfiguration der Datenspeichereinrichtung können auch die Programmmodule bzw. Programme und deren Anschlüsse bzw. Ports mit Hilfe von Beschreibungsdateien, insbesondere durch XML-basierten Beschreibungsdateien, definiert werden. Die Beschreibungsdateien können als Metabeschreibungsdateien aufgefasst werden, mit denen jeder Anschluss bzw. Port mit seinem jeweiligen Datentyp und Datenrichtung spezifiziert werden kann. Zusätzlich lassen sich auch weitere Attribute angeben, die zur dynamischen Suche in der Datenspeichereinrichtung herangezogen werden können. Beispiele hierfür sind Einheiten oder firmenspezifische Tags. Um eine Verknüpfung von Variablen unterschiedlicher Programmierdomänen realisieren zu können, werden vorteilhafterweise alle Datentypen in einer gemeinsamen Sprache definiert. Mit dieser gemeinsamen Sprache ist es möglich, Programme zu beschreiben, die primitive, selbstdefinierte oder durch Bibliotheken bzw. Libraries vorgegebene Datentypen verwenden. Diese allgemeine Beschreibungssprache ist vorteilhaft für die Verknüpfung von Strukturen oder einzelnen Elementen dieser Strukturen.
Die Spezifikation der Datenspeichereinrichtung, der Konnektoren und der Programmmetadaten in mehreren Beschreibungsdateien bzw. in mehreren XML-Konfigurationsdateien erlaubt eine Aufteilung einer Gesamtapplikation in funktionale Module, die von unterschiedlichen Entwicklergruppen oder Zulieferern erstellt werden können. Dies erleichtert nicht nur die Entwicklung einer komplexen Anlagensteuerung, sondern auch die schrittweise Erweiterung einer laufenden Anlage. Somit muss die Gesamtapplikation nicht von Anfang an zur Verfügung stehen, sondern kann aus Teilmodulen komponiert werden. Unter einer Gesamtapplikation werden in diesem Zusammenhang alle Programme bzw. Programmmodule, Aufgaben bzw. Tasks und Konfigurationseinstellungen verstanden, die zur Ausführung auf einem Steuerungsgerät benötigt werden.
In diesem Zusammenhang werden die Begriffe „Programm“ und „Programmmodul“ austauschbar verwendet.
Die Beschreibungsdatei weist Metainformation bzw. Metainformationen auf. Metainformationen beschreiben Variablen und Programme, z.B. welche Variablen-Ports ein Programm anbietet und von welchem Datentyp sie sind. Unter Ports werden Variablen verstanden, die Eingänge oder Ausgänge von Programmen oder Komponenten darstellen, und sich somit (gerichtet) verschalten lassen, indem Speicherplatz in der Datenspeichereinrichtung für sie breit gestellt wird. Metainformationen beschreiben das gesamte Programm, d.h. die Summe aller eingehenden und ausgehenden Anschlüsse bzw. Ports. Metainformationen beschreiben, den Typ der Variablen und wie diese aufgebaut sind, z.B. Bool, Integer oder komplexe, zusammengesetzte Datentypen. Ein Beispiel für eine Metainformation ist die Variable „Freigabe“ vom Typ Boolean. Ein Konnektor kann eine Variable übermitteln, beispielsweise von „Freigabe“ zu einem anderen Programm auf die Variable „Go“ vom Typ Bit. Hierbei wird der Wert der Variable von Boolean auf Bit konvertiert.
Die Daten der Variable können in einem Speicher der Datenspeichereinrichtung geschrieben und gelesen werden. Auf welche Art dies geschieht, wird mit einem Konnektor beschrieben. Metainformationen werden benötigt, um zu beschreiben, welche Variablen ein Programm mit Hilfe von Ports anbietet. Zum Beispiel bietet kann ein Programm „A“ die Variable „Freigabe“ mit dem Typ „Boolean“ anbieten. Diese Variable wird in dem Speicher der Datenspeichereinrichtung angelegt und der Wert der Variable wird vom Programm „A“ beschrieben. Andere Programme können über einen Konnektor, der weiss wo die Variable in dem Speicher der Datenspeichereinrichtung abgelegt ist, diesen Wert auslesen.
In einer bevorzugten Ausführungsform weist das Verfahren ferner ein Bereitstellen von Variablen in der Datenspeichereinrichtung durch ein erstes Programmodul der Programmmodule, ein Veröffentlichen der bereitgestellten Variablen durch die Datenspeichereinrichtung für mindestens ein zweites Programmodul der Programmmodule und ein
Zugreifen auf die Variablen in der Datenspeichereinrichtung durch mindestens das zweites Programmodul.
In einer weiteren Ausgestaltung des Verfahrens ist ein Bereitstellen mindestens eines Buffermechanismus für das Speichern von Variablen in der Metainformation in der Datenspeichereinrichtung vorgesehen.
Es sind unterschiedliche Buffermechanismen bzw. Speichermechanismen verwendbar, wie beispielsweise ein 4-fach-Buffer, oder ein Single Buffer als eine Einfachspeicherung. Der Buffermechanismus kann beispielsweise für die Skalierung auf Systeme mit kleinem Arbeitsspeicher angepasst werden.
Mit Vorteil weist das Verfahren in einer weiteren Ausgestaltung ferner ein Verwenden einer Programmierschnittstelle an einem Programmmodul auf, wobei die Programmierschnittstelle ein Durchsuchen der Metainformation in der Datenspeichereinrichtung ermöglicht.
Ferner kann in vorteilhafter Weise bei dem Verfahren ein dynamisches Erzeugen von Konnektoren vorgesehen werden.
Beispielsweise erlaubt das Durchsuchen der Metainformationen ein dynamisches Erzeugen von Konnektoren (Subscription), z.B. durch einen OPC-UA Server. Dynamisch bedeutet in diesem Zusammenhang, dass diese Verbindung nicht durch eine Beschreibungsdatei konfiguriert wird sondern zu Laufzeit über ein API der Datenspeichereinrichtung erzeugt und auch abgebaut werden kann.
Ferner ist vorteilhafterweise bei dem Verfahren vorgesehen, dass die Datenspeichereinrichtung dazu ausgebildet ist, unter Ansprechen auf die Beschreibungsdatei wenigstens einige der Programmmodule derart mit Metainformation zu versorgen, dass sie in unterschiedlichen, von dem Echtzeitbetriebssystem verwalteten Prozessen ausführbar sind.
In einer weiteren Ausgestaltungsform des Verfahrens kann ein Konvertieren der Variablen von einem ersten Datentyp zu einem zweiten Datentyp durch den Konnektor vorgesehen werden.
Ferner kann das Verfahren vorteilhafterweise ein Durchführen einer funktionalen Operation mit dem Konnektor.
Eine weitere Option der Konnektoren ist die Möglichkeit, ähnlich einer Typumwandlung auch funktionale Operationen vorzunehmen. So lässt sich zum Beispiel ohne zusätzliche Programmierung eine Temperatur von Fahrenheit nach Celsius umrechnen.
In einer weiteren Ausgestaltungsform des Verfahrens kann ein Erweitern der Datenspeichereinrichtung durch ein zusätzliches Programmmodul vorgesehen werden, ohne dass ein Neustart eines Steuerungssystems durchgeführt wird.
Ein Steuerungssystem bezeichnet eine Ablaufsteuerung in der Programmmodule typischerweise geladen, gestartet, debuggt, gestoppt und entladen werden können. Das Steuerungssystem setzt auf dem Echtzeitbetriebssystem auf.
Es ist von Vorteil, dass eine Erweiterung des Steuerungssystems möglich ist, ohne dass das Steuerungssystem für einen Neustart unterbrochen werden muss. Auf diese Weise kann der Betrieb kontinuierlich fortgeführt werden.
Dies ermöglicht eine Erweiterung für den Datenaustausch über Gerätegrenzen hinweg, wenn diese Geräte über eine Datenverbindung miteinander gekoppelt werden. Es kann dabei vorgesehen werden, dass eine Mehrzahl von Geräten auf die Datenspeichereinrichtung zugreifen können, wobei jeweils ein oder mehrere Programmodule der Geräte auf die Datenspeichereinrichtung zugreifen können, um Daten abzulegen und um auf Daten zugreifen zu können. Ferner können über Gerätegrenzen hinweg Variablen unter Verwendung einer entsprechenden Datenverbindung ausgetauscht werden, z.B. für ein redundant ausgelegtes Steuerungssystem.
Ferner kann mit Vorteil bei dem Verfahren ein Bereitstellen eines Ersatzwertes durch den Konnektor für den Fall vorgesehen werden, dass innerhalb eines definierten Zeitintervalls keine Aktualisierung einer veröffentlichten Variablen erfolgt ist.
Um den verschiedenen Anforderungen der Programme zu genügen, können Konnektoren unterschiedliche Eigenschaften aufweisen. Somit hat der Benutzer die Möglichkeit, zwischen verschiedenen Konnektoren zu wählen, die je nach den Designzielen der Anwendung einen Fokus auf zum Beispiel Echtzeitfähigkeit, Datenkonsistenz, Speicherverbrauch oder Kombinationen dieser Eigenschaften legen. Die Konnektoren können zusätzlich die Aufgabe übernehmen, Ersatzwerte bereit zu stellen, falls Programme ihre veröffentlichten Variablen nicht innerhalb eines definierten Zeitintervalls aktualisieren.
In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung weist das Verfahren ein Konfigurieren des Datenspeichers mit der Beschreibungsdatei durch Definieren eines Anschlusses, eines Datentyps für den Anschluss und einer Datenrichtung des Anschlusses auf.
Hierbei ist der Begriff „Anschluss“ gleichzusetzen mit der Bezeichnung „Port“. Die Datenrichtung eines Anschlusses kann als Inport oder als Outport definiert werden. Die Verbindung zwischen einem Outport eines veröffentlichenden Programms und einem Inport eines abonnierenden Programms wird mit Hilfe eines Konnektors realisiert. Der Konnektor stellt eine Vielzahl von Funktionalitäten bereit. Es kann mit dem Konnektor beispielsweise eine mögliche Konvertierung zwischen unterschiedlichen Datentypen aus den beteiligten Programmdomänen vorgenommen. So lässt sich zum Beispiel ein INT aus einem IEC 61131-3 Programm auf einfache Weise auf ein int16 eines C++ Programms umsetzen.
Auch die Daten von anderen Komponenten, wie zum Beispiel Daten von Feldbussystemen, können in der Datenspeichereinrichtung als verknüpfbare Ports abgebildet werden. Dies ermöglicht dem Benutzer auf einfache Weise IO-Daten (IO = Input Output) mit den Programmen unterschiedlicher Programmierdomänen zu verbinden. Beispielsweise lassen sich auf diese Weise die Geräte eines Feldbusses als Variablen strukturiert darstellen und benutzerdefiniert benennen.
Ferner wird die Aufgabe der Erfindung durch eine Datenspeichereinrichtung zum Datenaustausch zwischen Programmmodulen gleicher oder unterschiedlicher Programmiersprachen in einem Echtzeitbetriebssystem gelöst, wobei die Datenspeichereinrichtung einen Speicher zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens aufweist.
Die Datenspeichereinrichtung wird vorzugsweise als globale Datenspeichereinrichtung ausgebildet (GDS). Ferner kann die Datenspeichereinrichtung als eine zentral implementierte Softwarekomponente einer Steuerung in einer Automatisierungsanlage installiert sein. Hierbei kann die Datenspeichereinrichtung über einen Speicher gerätelokale Daten für den Austausch zwischen Programmen anbieten und ist von allen Prozessen gleichermaßen nutzbar. Es kann der Zugriff der Konnektoren auch zusätzlich geräteübergreifend realisiert werden.
In einer Ausgestaltung der Datenspeichereinrichtung ist ein Austauschbereich in dem Speicher der Datenspeichereinrichtung vorgesehen, in den Daten geschrieben und Daten ausgelesen werden können, wobei Programmmodule über Schnittstellen auf die Datenspeichereinrichtung zugreifen können.
Die Datenspeichereinrichtung und ihre Konnektoren kann einen konsistenten Austausch von Variablen innerhalb einer Aufgabe bzw. eines Tasks sowie über Taskgrenzen hinweg unterstützen. Das Prinzip der klassischen IEC 61131-3 Programmausführung wird auf die Taskausführung übertragen. Damit stehen den Programmen in anderen Tasks die Eingangsdaten taskkonsistent zur Verfügung. Darüber hinaus können Metainformationen bzw. Daten zwischen den Programmen innerhalb einer Task direkt ausgetauscht werden.
Ferner wird die Aufgabe der Erfindung durch eine Vorrichtung zum Datenaustausch zwischen Programmmodulen gleicher oder unterschiedlicher Programmiersprachen in einem Echtzeitbetriebssystem gelöst. Hierbei weist die Vorrichtung eine erfindungsgemäße Datenspeichereinrichtung, mindestens einen Prozessor und mindestens eine Schnittstelle zu einer Automatisierungseinrichtung auf.
Ferner wird die Aufgabe der Erfindung mit einem Echtzeitbetriebssystem zum Datenaustausch zwischen Programmmodulen gleicher oder unterschiedlicher Programmiersprachen gelöst. Hierbei weist das Echtzeitbetriebssystem eine Datenspeichereinrichtung, mindestens eine hinterlegte Beschreibungsdatei, mit der die Datenspeichereinrichtung konfigurierbar ist, und mehrere von dem Echtzeitbetriebssystem ausführbare Programmmodule auf, die unter Verwendung gleicher oder unterschiedlicher Programmiersprachen erstellt sind. Hierbei ist die Datenspeichereinrichtung dazu ausgebildet, die Programmmodule unter Verwendung von Konnektoren miteinander zu verbinden, um mindestens eine Variable zwischen Programmodulen auszutauschen, wobei die Metainformation mit der mindestens einen Variablen in der Datenspeichereinrichtung gespeichert ist.
Die Metainformation mit der mindestens einen Variablen kann von den Konnektoren zum Verbindungsaufbau genutzt werden. Ferner werden eine oder mehrere Beschreibungsdateien verwendet, die beispielsweise als XML-Datei ausgestaltet sein können. Bei einer Mehrzahl von Beschreibungsdateien können diese zu einer Konfiguration bzw. Gesamtkonfiguration zusammengefügt werden. Dies kann durch eine den Beschreibungsdateien übergeordnete Konfigurationsdatei geschehen.
Ferner wird die Aufgabe der Erfindung mit einem Computerprogrammprodukt mit Programmcodemitteln zum Durchführen des erfindungsgemäßen Verfahrens gelöst, wobei das Computerprogrammprodukt auf einem Computersystem in einem Echtzeitbetriebssystem abläuft.
Einige Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in den Zeichnungen rein schematisch dargestellt und werden nachfolgend näher beschrieben. Es zeigt:

1 ein Ausführungsbeispiel einer Vorrichtung zum Datenaustausch zwischen Programmmodulen in einem Echtzeitbetriebssystem;
2 ein Ausführungsbeispiel für eine Verknüpfung von Ports mit unterschiedlichen Datentypen zur Steuerung einer Maschine; und
3 ein Ausführungsbeispiel für ein Ausführen von Aufgaben mit unterschiedlichen Programmmodulen in einem Echtzeitbetriebssystem.

1 zeigt ein Ausführungsbeispiel einer Vorrichtung 10 zum Datenaustausch zwischen Programmmodulen 11, 12, 13 in einem Echtzeitbetriebssystem. Hierbei wird ein Austausch von Echtzeitdaten zwischen den Programmmodulen 11, 12, 13 über eine Datenspeichereinrichtung 20 durchgeführt. Die Programmodule 11, 12, 13 mit den Programmen CPP_Filter, IEC_Sync und SIM_CTRL können über Konnektoren zum Datenaustausch miteinander verbunden werden. Ein beispielhafter Konnektor 14, bzw. auch „Intelligenter Konnektor“ bezeichnet, ist zwischen den Programmmodulen 11 und 12 schematisch als Pfeil gezeigt, der als „intelligenter Konnektor“ bezeichnet werden kann. Der Konnektor 14 stellt eine Verbindung von dem Programmmodul 11 zu dem Programmmodul 12 über die Datenspeichereinrichtung 20 bereit.
Hierbei ist in 1 die Verbindung von dem Programmmodul 11 mit dem CPP_Filter in den globalen Speicher 20 und dann von dort zum dem Programmmodul 12 mit dem IEC_Sync Programm eine vereinfachte Darstellung, wie auf die Daten zugegriffen bzw. Daten abgelegt werden. Der Konnektor 20 definiert, wie die Datenquelle (CPP_Filter) die Variablen/Daten schreiben und die Datensenke (IEC_Sync) diese einlesen kann. Dabei wird mit „Intelligenter Konnektor“ bezeichnet, dass unter anderem auch Informationen über Konvertierungen der Daten mit angeben werden können.
Zusätzlich zu dem Namen der Variable können in der Datenspeichereinrichtung 20 zusätzlich noch weitere Metainformationen abgelegt werden. Hierzu gehören unter anderem der Zeitpunkt der letzten Änderung, Zugriffsrechte, Sichtbarkeit, Datentyp, benutzerdefinierte Attribute oder ein beschreibender Text.
Neben den Basisdatentypen, die aus jeder Programmiersprache bekannt sind, können die Konnektoren 14 auch benutzerdefinierte Datentypen miteinander verknüpfen, wie zum Beispiel Strukturen, Arrays oder Kombinationen dieser beiden. Dabei kann eine Verknüpfung auf den ganzen Datentyp oder Teile davon angewendet werden.
Ferner sind in 1 weitere Komponenten schematisch dargestellt, die beispielsweise als Softwarekomponenten ausgeführt sind, wie ein Feldbus 15, ein OPC-UA Server 16, ein Webserver 17 und eine weitere beliebige Komponente 18 einer Automatisierungsanlage, die jeweils auf bereit gestellte Daten 21-31 in der Datenspeichereinrichtung 20 lesend und schreibend zugreifen.
Ferner weist die Datenspeichervorrichtung 10 einen Prozessor 32 und eine Schnittstelle 33 zu einer Automatisierungseinrichtung auf. Im vorliegenden Beispiel ist die Datenspeichereinrichtung 20 verbunden mit dem Prozessor 32 wie auch mit der Schnittstelle 33. Die Verbindungen können drahtgebunden oder drahtlos sein. Ferner ist im vorliegenden Ausführungsbeispiel die Schnittstelle 33 mit einer Komponente des Feldbusses 15 verbunden.
Die Datenspeichereinrichtung 11 der 1 ist ein globaler Speicher zur Ablage von Daten, wobei die Daten 21-31 als Metadaten oder Metainformation ausgeführt sind und mindestens eine Variable enthalten. Diese Variablen können in der Datenspeichereinrichtung 11 veröffentlicht werden und anderen Programmmodulen 11, 12, 13 oder Komponenten 15, 16, 17, 18 zur Verfügung gestellt werden, indem diese sie abonnieren und in Echtzeit erhalten.
Jedes Programmmodul 11, 12, 13, unabhängig davon aus welcher Programmierdomäne, erhält durch die Verwendung einer vorgegebenen API die Möglichkeit, Variablen in der Datenspeichereinrichtung 20 als globaler Datenraum abzulegen. Ein Ablegen und Veröffentlichen von Variablen kann durch eine statische Konfiguration beim Systemstart sowie dynamisch zur Laufzeit erfolgen. Dabei erhalten die Variablen einen eindeutigen Namen, mit dem sie in der Datenspeichereinrichtung 20 gesucht werden können. Nach der Veröffentlichung kann die Variable von anderen Programmmodulen abonniert und somit deren Werte verwendet werden. Eine veröffentlichte Variable wird als Inport oder Outport definiert, je nach lesender oder schreibender Datenrichtung.
2 zeigt ein Ausführungsbeispiel für eine Verknüpfung von Ports mit unterschiedlichen Datentypen zur Steuerung einer Maschine, insbesondere zur Steuerung eines Antriebsstranges der Maschine. Dabei repräsentieren die Verbindungen 41 bis 46 Konnektoren, wie in 1 gezeigt. Die Ports, die in 1 verschaltet werden, sind nicht in den anderen Figuren dargestellt. Der Konnektor 41 zeigt eine Konvertierung von Bool zu BIT, Konnektor 44 die Verschaltung von Strukturen und deren Elemente und der Konnektor 46, die Verschaltung von Vektorelementen inklusive Byte-Swapping, Skalierung/Offsetkorrektur und Typkonvertierung. Dabei kann eine Verknüpfung auf den ganzen Datentyp oder Teile davon angewendet werden.
3 zeigt ein Ausführungsbeispiel für ein Ausführen von Aufgaben 50, 51 mit unterschiedlichen Programmmodulen 11, 12, 13 in einem Echtzeitbetriebssystem. Die Programmodule 11, 12, 13 erhalten ihre Daten, insbesondere abonnierte Variablen, aus der Datenspeichereinrichtung 20, so wie in 1 dargestellt und beschrieben.
3 zeigt einen exemplarischen Aufbau von Aufgaben 50, 51 bzw. Tasks, Programmen und Konnektoren unter der Berücksichtigung einer Ablaufsteuerung. Der taskkonsistente Datenaustausch zwischen der Aufgabe 50 als Main-CyclicTask und der Aufgabe 51 als Ctrl-CyclicTask bzw. Steueraufgabe wird durch Buffermechanismen 54 der Datenspeichereinrichtung 20 realisiert. Die Datenkonsistenz ist unabhängig von den einzelnen Aufgaben 50, 51 bzw. Tasks, deren Priorität und deren zeitlichen Verhalten.
Die erste Aufgabe 50 weist die Programmodule 11 und 12 mit den Programmen CPP_Filter und IEC_Sync auf, wobei sich die Programmiersprachen der Programmodule 11, 12 voneinander unterscheiden. Ferner weist die zweite Aufgabe 51 das Programmmodul 13 mit dem Programm SIM_CTRL auf. Auch das Programmmodul 13 ist in einer anderen Programmiersprache verfasst im Vergleich zu den Programmiersprachen der Programmodule 11, 12. Somit weisen alle der Programmmodule eine andere Programmiersprache auf.
3 gibt einen schematischen Aufbau von Verbindungen zwischen Ports wieder. Hierbei gibt es ein- und ausgehende Ports, die als Inports 52 und Outports 53 bezeichnet werden, und über die Eingangsdaten bzw. Ausgangsdaten gesendet werden.
Die Konnektoren sind die in 3 eingezeichneten Pfeile innerhalb und außerhalb der Aufgaben 50, 51. Hierbei werden die Konnektoren über Buffermechanismen 54, wie beispielsweise über einen 4-fach-Speicher, für nicht blockierenden und zykluskonsistenten Austausch der Daten zwischen den Programmmodulen 11, 12, 13 synchronisiert. Mit den Konnektoren wird definiert, auf welche Art und Weise die Daten später zum Ziel kopiert werden. Ein Beispiel für einen Konnektor ist der gesamte Pfad vom Ausgang 53 der Aufgabe 51 zum Eingang 52 der Aufgabe 50 über den Buffermechanismus 54 der Datenspeichereinrichtung 20.
In 3 gibt es in der Aufgabe 50 auch eine direkte Verbindung von dem Programmodul 11 mit CPP_Filter zu dem Programmmodul 12 mit IEC_Sync, ohne dass ein Weg über die weiter dargestellten Konnektoren verwendet wird. Diese Verbindung ist nicht in 1 dargestellt.
Durch die Bereitstellung der erfindungsgemäßen Datenspeichereinrichtung 20 als globaler Datenspeicher bzw. als Global Data Space (GDS) und als Teil einer Datenspeichervorrichtung 10 wird eine Möglichkeit für die gleichwertige Kommunikation zwischen Programmen bzw. Programmmodulen 11, 12, 13 unterschiedlicher Programmierdomänen realisiert. Es ist ein Echtzeit-Datenaustausch zwischen Programmmodulen 11, 12, 13 bzw. Programmen möglich, die auch in unterschiedlichen Programmiersprachen geschrieben sein können. Dabei kann die Datenspeichereinrichtung 20 die Funktion eines Datenpools übernehmen, der die Verknüpfung sowohl von primitiven als auch von komplexen Datentypen unterschiedlicher Programmiersprachen erlaubt. Hierbei werden hohe Anforderungen an die Konsistenz der Daten und die Leistung beim Datenaustausch, insbesondere im Echtzeitbetrieb, gefordert und erfüllt. Die Datenspeichereinrichtung 20 ermöglicht eine Verwaltung der hergestellten Datenverbindungen zwischen Programmen und den Metainformationen, die ein Browsen und dynamisches Verbinden auf die vorhandenen Daten ermöglichen.
Insgesamt wird erfindungsgemäß eine Funktionalität als Bestandteil einer neuen Firmwarearchitektur ermöglicht, auf deren Basis neue Industriesteuerungen realisiert werden können. Ausgelegt ist diese Architektur zunächst für die Verwendung auf einem Gerät bzw. Steuergerät. Die Architektur ist jedoch so gestaltet, dass eine Erweiterung auf mehrere Geräte möglich ist.
Es wird hierbei angestrebt, die Ergänzung der klassischen Programmierung von Steuerungen um Hochsprachen zu unterstützen. Hierfür wird ein weicher Übergang zwischen der IEC 61131-3 und der Hochsprachenwelt angestrebt. Voraussetzung hierfür ist neben der Unterstützung solcher Sprachen auch die nahtlose Integration der unterschiedlichen Programmierdomänen. Hierzu zählen unter anderem Matlab/Simulink, C++, C#, JAVA, Python und die Sprachen der IEC 61131-3. Für eine solche nahtlose Integration sollte die Steuerung in der Lage sein, den aus der IEC 61131-3 bekannten Ablauf mit Programminstanzen und Aufgaben bzw. Tasks in den Ablauf der anderen Programmierdomänen zu übertragen. Trotz dieser komplexeren Anforderungen an die technische Realisierung werden zusätzlich Aspekte der Datensicherheit, Benutzbarkeit, Flexibilität und vor allem Leistungsfähigkeit gewährleistet.
Bezugszeichenliste

10: Vorrichtung
11: Programmmodul
12: Programmmodul
13: Programmmodul
14: Konnektor
15: Feldbus bzw. engl. Fieldbus
16: OPC-UA Server
17: Datenspeichereinrichtung
18: Komponente
20: Datenspeichereinrichtung
21-31: Daten
32: Prozessor
33: Schnittstelle
41-46: Konnektoren
50: Aufgabe
51: Aufgabe
52: Eingang bzw. Inport
53: Ausgang bzw. Outport
54: Buffermechanismus

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
Zitierte Nicht-Patentliteratur

IEC 61131 [0008]

Claims

Verfahren zum Austausch von Echtzeitdaten zwischen Programmmodulen (11, 12, 13) umfassend Bereitstellen einer Datenspeichereinrichtung (20), Speichern von Metainformation (21-31) in der Datenspeichereinrichtung (20), wobei die Metainformation (21-31) mindestens eine Variable aufweist, Bereitstellen mindestens einer Beschreibungsdatei, Konfigurieren der Datenspeichereinrichtung (20) mit der Beschreibungsdatei, Bereitstellen mindestens eines Konnektors (14), wobei mit dem Konnektor (14) zwischen Programmmodulen (11, 12, 13) über die Datenspeichereinrichtung (20) eine Verbindung in Abhängigkeit einer Anfrage in der Beschreibungsdatei herstellbar ist, wobei die Programmmodule (11, 12, 13) unter Verwendung gleicher oder unterschiedlicher Programmiersprachen erstellt sind und von einem Echtzeitbetriebssystem ausführbar sind, und Austauschen von mindestens einer Variablen (21-31) zwischen einem der Programmmodule (11, 12, 13) und der Datenspeichereinrichtung (20) über den Konnektor (14).
Verfahren nach Anspruch 1, ferner aufweisend Bereitstellen von Variablen in der Datenspeichereinrichtung (20) durch ein erstes Programmmodul der Programmmodule (11, 12, 13), Veröffentlichen der bereitgestellten Variablen durch die Datenspeichereinrichtung (20) für mindestens ein zweites Programmmodul der Programmmodule (11, 12, 13), und Zugreifen auf die Variablen in der Datenspeichereinrichtung (20) durch mindestens das zweites Programmmodul.
Verfahren nach Anspruch 1 oder Anspruch 2, ferner aufweisend Bereitstellen mindestens eines Buffermechanismus (34) für das Speichern von Variablen (21-31) in der Datenspeichereinrichtung (20).
Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, ferner aufweisend Verwenden einer Programmierschnittstelle an einem Programmmodul (11, 12, 13), wobei die Programmierschnittstelle ein Durchsuchen der Metainformation (21-31) in der Datenspeichereinrichtung (20) ermöglicht.
Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, ferner aufweisend dynamisches Erzeugen von Konnektoren (14).
Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Datenspeichereinrichtung (20) dazu ausgebildet ist, unter Ansprechen auf die Beschreibungsdatei wenigstens einige der Programmmodule (11, 12, 13) derart mit Metainformation (21-31) zu versorgen, dass sie in unterschiedlichen, von dem Echtzeitbetriebssystem verwalteten Prozessen ausführbar sind.
Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, ferner aufweisend Konvertieren der Variablen von einem ersten Datentyp zu einem zweiten Datentyp durch den Konnektor (14).
Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, ferner aufweisend Durchführen einer funktionalen Operation mit dem Konnektor (14).
Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, ferner aufweisend Erweitern der Datenspeichereinrichtung (20) durch ein zusätzliches Programmmodul (11, 12, 13), ohne dass ein Neustart eines Steuerungssystems durchgeführt wird.
Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, ferner aufweisend Bereitstellen eines Ersatzwertes durch den Konnektor (14) für den Fall, dass innerhalb eines definierten Zeitintervalls keine Aktualisierung einer veröffentlichten Variablen erfolgt ist.
Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, ferner aufweisend Konfigurieren der Datenspeichereinrichtung (20) mit der Beschreibungsdatei durch Definieren eines Anschlusses, eines Datentyps für den Anschluss und einer Datenrichtung des Anschlusses.
Datenspeichereinrichtung (20) zum Datenaustausch zwischen Programmmodulen (11, 12, 13) gleicher oder unterschiedlicher Programmiersprachen in einem Echtzeitbetriebssystem aufweisend einen Speicher zur Durchführung des Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 bis 11.
Datenspeichereinrichtung (20) nach Anspruch 12, aufweisend einen Austauschbereich in dem Speicher, in den Daten geschrieben und Daten ausgelesen werden können, wobei Programmmodule (11, 12, 13) über Schnittstellen auf die Datenspeichereinrichtung (20) zugreifen können.
Vorrichtung (10) zum Datenaustausch zwischen Programmmodulen (11, 12, 13) gleicher oder unterschiedlicher Programmiersprachen in einem Echtzeitbetriebssystem aufweisend eine Datenspeichereinrichtung (20) nach Anspruch 12 oder Anspruch 13; mindestens einen Prozessor (32), und mindestens eine Schnittstelle (33) zu einer Automatisierungseinrichtung.
Echtzeitbetriebssystem zum Datenaustausch zwischen Programmmodulen (11, 12, 13) gleicher oder unterschiedlicher Programmiersprachen umfassend eine Datenspeichereinrichtung (20), mindestens eine hinterlegte Beschreibungsdatei, mit der die Datenspeichereinrichtung (20) konfigurierbar ist, mehrere von dem Echtzeitbetriebssystem ausführbare Programmmodule (11, 12, 13), die unter Verwendung gleicher oder unterschiedlicher Programmiersprachen erstellt sind, wobei die Datenspeichereinrichtung (20) dazu ausgebildet ist, die Programmmodule (11, 12, 13) unter Verwendung von mindestens einem Konnektor (14) miteinander zu verbinden, um mindestens eine Variable (21-31) zwischen Programmodulen (11, 12, 13) auszutauschen, wobei die Metainformation mit der mindestens einen Variablen (21-31) in der Datenspeichereinrichtung (20) gespeichert ist.
Computerprogrammprodukt mit Programmcodemitteln zum Durchführen des Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 bis 11, wobei das Computerprogrammprodukt auf einem Computersystem in einem Echtzeitbetriebssystem abläuft.