Die internationale Norm IEC 61499 beschreibt die Automatisierung von Geräten, Anlagen und Gebäuden mithilfe von verteilten Steuerungen. Sie ist damit ein Nachfolger des Automatisierungsstandards IEC 61131. Basis der Automatisierung ist der Funktionsbaustein (Function Block), der nicht nur Dateneingänge und Ausgänge aufweist, sondern zusätzlich auch Eingänge und Ausgänge für sogenannte Events (Ereignisse, Triggersignale). Anders als bei einer SPS werden die Function Blocks nicht zyklisch abgearbeitet, sondern sie rufen sich gegenseitig mithilfe der Events auf. Ein Netz von Function Blocks steuert die Abläufe einer Anlage. Die Norm ermöglicht die nahezu freie Zuordnung von Teilen dieses Netzes zu den eingesetzten Steuerungen (in der Norm mit Device bezeichnet), die sämtlich miteinander kommunizieren (z.B. über Ethernet). Devices, für die das IEC 61499-Laufzeitsystem verfügbar ist, können in beliebiger Kombination zusammenarbeiten. Die neue Norm ist daher besonders für verteilte Automatisierungslösungen geeignet. Von den definierten Befehlsumfängen her ermöglicht die IEC 61499 einem entsprechend ausgestatteten Device sogar die Umprogrammierung anderer Devices, sodass selbstkonfigurierende Systeme erzeugt werden können. Systeme nach IEC 61499 werden in verschiedenen industriellen Bereichen (Fertigungstechnik, Verfahrenstechnik, Gepäckfördersysteme) und in der Gebäudeautomation eingesetzt.
Kapselung von Automatisierungsfunktionen in Function Blocks
In der bisher üblichen Industrienorm IEC 61131 wird die Funktionalität automatisierter Systeme in Programmen, Funktionsbausteinen und Funktionen (Programm-Organisationseinheiten, POEs) gekapselt, die in einer Aufrufhierarchie zueinander in Beziehung stehen. Sogenannte Tasks rufen die übergeordneten Programme meist zyklisch, aber auch zeit- und/oder ereignisgesteuert auf. Die weit überwiegende Anzahl von Anwendungen basiert auf einer zyklischen Abarbeitung des verwendeten Programmcodes, d.h. in einem Zyklus werden – laufend wiederholt – die Sensorsignale des gesteuerten Prozesses von der Steuerung eingelesen, der Programmcode der POEs damit bearbeitet sowie die Ausgangsvariablen dabei berechnet und anschließend diese Ausgangsvariablen auf die Hardwareausgänge der Steuerung ausgegeben. Hierbei wird in der Regel der gesamte Programmcode bearbeitet, obwohl sich in der gesteuerten Anlage möglicherweise überhaupt nichts geändert hat. Die IEC 61499 basiert auf einem hiervon abweichenden Konzept, das sogenannte Function Blocks nutzt. Mithilfe dieser Function Blocks können netzartige Programmstrukturen aufgebaut werden, in denen Automatisierungsanwendungen realisiert werden. Abweichend von den Funktionsbausteinen der IEC 61131 besitzen die verwendeten Function Blocks nicht nur Daten-Ein- und Ausgänge, sondern auch Eingänge und Ausgänge für Ereignissignale, die Events. Die Function Blocks können über einen Eventausgang die Ausführung eines anderen FBs veranlassen. Anders ausgedrückt: die Blocks laufen nicht zyklisch ab, sondern sie werden ereignisgesteuert ausgeführt. Die Bausteine, die in einem Device enthalten sind, werden nur dann bearbeitet, wenn entsprechende Events sie aufrufen. Das hat den Vorteil, dass der häufige Leerlauf der zyklischen Programmbearbeitung entfällt (wozu soll man ein Programm bearbeiten, wenn sich kein einziges Signal im Prozess geändert hat). Gleichzeitig vermindert es die Kommunikationslast zwischen mehreren verbundenen Steuerungen, da auch hier nur im Ereignisfall kommuniziert werden muss. Function Blocks können objektorientiert aufgebaut sein, d.h. sie bilden ein Objekt in einer Anlage mit seinem physischen und logischen Verhalten ab. Die verschiedenen Arten von Function Blocks und ihr Einsatz in Automatisierungsanwendungen sollen im folgenden Artikel näher beschrieben werden.
Das Event-Konzept des Function Blocks
Der Function Block der IEC 61499 kann sofort an seiner typischen Form erkannt werden: Ein eingeschnürtes Rechteck mit einem \’Kopf\‘ für die Event- Ein- und Ausgänge und dem \’Rumpf\‘, der die Daten-Ein-/Ausgänge enthält. Auf der linken Seite befinden sich jeweils die Eingänge, rechts die Ausgänge (1). Die Events sind Ereignisse, die zum Aufruf eines empfangenden Bausteins führen (Genauer: Beim Empfang eines Events wird eine Anforderung zum Aufruf des empfangenden Bausteins in eine Warteschlange eingetragen, die von einem Scheduler des Devices abgearbeitet wird.). Die Daten- EAs sind jeweils mit einem Datentyp versehen. Sie sind an mindestens ein Event gekoppelt und werden nur dann aktualisiert, wenn das zugeordnete Ereignis eintritt. Damit also der IN1-Dateneingang des gezeigten Blocks einen angelegten Real-Wert aufnehmen kann, muss das Event REQ (Anforderung) eintreffen. Umgekehrt kann der Datenausgang OUT1 nur dann einen String abgeben, wenn das Ausgangsevent CNF im Innern des Bausteins durch einen ablaufenden Algorithmus getriggert wird. Der Function Block enthält in seinem Inneren verschiedene Algorithmen sowie einen Zustandsautomaten zur Beschreibung seines Verhaltens, der deutliche Ähnlichkeit mit dem State Diagram (Zustandsdiagramm) der UML aufweist. Dieser Zustandsautomat heißt Execution Control Chart (ECC) und besteht aus Zuständen, Übergängen (Transitionen) zwischen diesen Zuständen sowie zugeordneten Übergangsbedingungen (2). In den Zuständen können Aktionen ausgeführt und Events erzeugt werden. Die Aktionen sind als Algorithmen in einer der Sprachen der SPS-Norm IEC 61131 programmiert (Das ist jedoch in der Norm nicht festgelegt. Die weiter unten beschriebene Entwicklungsumgebung FBDK arbeitet davon abweichend mit Java.). Wird der gezeigte Function Block durch ein von außen eintreffendes Event (z.B. Mode_Auto) aufgerufen, dann wird der im ECC programmierte Zustandsautomat bearbeitet. Befindet sich der Automat im Zustand Start, erfolgt wegen des Events Mode_Auto ein Übergang in den Zustand execMode (oben rechts); dort wird der in diesem Fall gleichnamige Algorithmus execMode ausgeführt und anschließend das Ausgangsevent CNF erzeugt. Danach kehrt der Automat wegen der Übergangsbedingung 1 wieder in den Zustand Start zurück. Der beschriebene Function Block ist ein sogenannter Basic Function Block (BFB), mit dem man die Schnittstellen und die Leistungen eines Automatisierungsobjektes (z.B. eines Motors) definieren und programmieren kann. Derartige BFBs kann man vernetzen, sodass sie größere Einheiten einer Anlage steuern, z.B. die Verschiebeeinheit einer Anlage mit Mechanik und mehreren Antrieben. Benötigt man solche Verschiebeeinheiten mehrfach, ist es sinnvoll, das Ganze in einem eigenen Function Block unterzubringen, dem Composite Function Block.
Composite Function Blocks: Zusammenfassung von komplexeren Funktionen
Der Composite Function Block fasst die Leistungen mehrerer Function Blocks zusammen, sodass man sie als Gesamtheit aufrufen kann (3). Nach außen hin erscheint er mit seinen Schnittstellen wie ein Basic Function Block, im Inneren enthält er jedoch ein Netz von mehreren anderen Function Blocks. Die nach außen hin benötigten Signale bilden das Interface des Composite FB. Ein Execution Control Chart gibt es nicht.
