Erschienen am: 19.03.2015, Ausgabe SPS-MAGAZIN 4 2015

Linux und Raspberry PI - Neue Wege in der Automatisierung

Nachdem mehrere Anbieter von Entwicklungsumgebungen unterschiedlicher Automatisierungs-Systeme RunTimeSyteme (RTS) für Linux anbieten, stehen plötzlich neue Hardwareansätze in der Automatisierungswelt zur Verfügung. Die Hintergründe und die neuen Möglichkeiten sollten bekannt sein und bei jeder Projektplanung berücksichtigt werden. Die Möglichkeit, den Raspberry PI als Basis von Automatisierungslösungen zu verwenden, schafft vollkommen neue Sichtweisen und Freiheiten für Steuerungskonzepte.

Autor: Ulrich Kanngießer, Kanngießer Automation Consulting.


Bild 1: Raspberry PI: Automatisieren mit zahlreichen Schnittstellen und der Strukturierte Text dient zur Programmierung.
Bild: Raspberry PI Foundation

Der Begriff 'Steuerungskonzept' greift dabei eigentlich zu kurz. Die Aufgaben in der Automatisierung bestehen immer mehr aus der Datenerfassung, Datenaufbereitung, Kommunikation sowie dem Bedienen und Beobachten des jeweiligen Prozesses. Die Informatik tritt immer stärker in den Vordergrund jeder Automatisierungslösung, entsprechend verändert sich die Hardware ebenso wie deren Betriebssystem. Ein anderer Lösungsansatz mit einem anderen Zielmarkt sind die Linux-Steuerungen von Wago. Mit dem lizenzfreien Betriebssystem hat der Anwender die Möglichkeit Aufgaben zu lösen, die ein entsprechendes Betriebssystem benötigen und eine Standard-SPS anzuwenden, die mit Codesys 3.5 im Steuerungsteil programmiert wird. Eine entsprechende Baugruppe von Wago ist zum Beispiel die 750-860. Die Software-Entwicklung geschieht typischerweise unter Linux und wird durch Beispiele unterstützt. Der Raspberry PI wurde für diesen Artikel in den Focus gestellt, da er der bekannteste Vertreter einer Art von Einplatinenrechnern bzw. Datenverarbeitungssystemen ist, die mit Linux oder einem anderen Betriebssystem in die Automatisierungstechnik vordringen und preislich, wie auch technisch neue Rahmen setzen. Wenn man die Vielzahl der Schnittstellen des Grundgerätes eines 'Raspberry PI' betrachtet (HDMI, USB, Ethernet, I2C, UART und somit RS 232 wie auch RS 485) kann man nicht mehr von einer Steuerung sprechen und durch Erweiterungskarten werden weitere Kommunikationen zugänglich. Physikalische Ein-Ausgänge werden in den verschiedensten Formen von unterschiedlichen Herstellern angeboten. Die bekannteste Platine ist das PIFace mit Schaltrelais, 8 Open-Collector-Ausgängen, 8 digitialen Eingängen (mit Signalisierung über LED), die über Schraubklemmen anschließbar sind. Ebenso bieten Firmen wie logi.cals hochkompakte E/A-Module für digitale und analoge Signale, Temperatursensor, externer I2C-Bus auf einer Platine an. Die Anschlusstechnik wird wiederum in Schraubtechnik realisiert. Doch dies sind nur einige Beispiele von einem kaum übersehbaren Angebotsspektrum, das in der Literatur vielfach beschrieben ist. Wenn man die Anbieter von Entwicklungsumgebungen für Automatisierungssoftware betrachtet, stößt man auf die Unternehmen 3S/Kempten, logi.cals/St.Pölten und Phoenix Contact Software/Lemgo. Diese Unternehmen bieten auch RunTimeSyteme (RTS) für den Raspberry PI, der dann in dem 'Strukturieren Text' programmiert werden kann. Die hier beschriebenen Anbieter von Entwicklungsumgebungen von Anwendungen nach IEC61131-3 auf dem Raspberry PI bieten die Möglichkeit ein Laufzeitsystem kostenlos von ihrer Homepage herunterzuladen und jeweils die Anwendung 1 bzw. 2 Stunden zu testen. Danach stoppt die Anwendung und muss neu gestartet werden. Diese Lösung dürfte für Schüler und Studenten für einfache Tests ausreichend sein (insbesondere wenn bereits mit dem Raspberry PI getestet wird). Die zugehörige Entwicklungsumgebung (Codesys 3.5 oder logi.CAD3) ist kostenlos und kann im Internet heruntergeladen werden.

Lösungsansatz 3S

Im Codesys-Store ist eine lauffähige Lizenz zum Preis etwa eines Raspberry PI zu erwerben. Zitat aus dem Store von Codesys bzw. 3S/Kempten: "Dieses Produkt beinhaltet ein Codesys Control Laufzeitsystem für den Raspberry PI (s. http://www.raspberrypi.org/), sowie Treiber-Unterstützung für die Erweiterungshardware Raspberry PIFace Digital, Raspberry PI Camera und diverse Geräte/Platinen mit I2C-Schnittstelle. Das Produkt wird als Speicherkarten-Image auf Basis der Linux-Distribution Raspbian geliefert. Es muss auf die Speicherkarte des Geräts kopiert werden. Nach jedem Neustart des Raspberry PI wird das Laufzeitsystem automatisch gestartet. Wenn keine gültige Lizenz vorhanden ist, arbeitet es für zwei Stunden ohne funktionale Einschränkung und beendet sich dann automatisch".

Logi.cals/St.Pölten (logi.RTS)

Bei logi.cals mit dem logi.RTS zu dem logi.CAD3 wird per Email ein Lizenz-Code angefragt. Über den Preis wird dann je nach Stückzahlen gesprochen. Auf Nachfrage bei dem Unternehmen logi.cals wurde unterstrichen, dass man Schulen, Universitäten, Schülern und Studenten offen und hilfreich gegenübersteht. Der Raspberry PI ist eine Erfolgsgeschichte in der Datenverarbeitung und hat ein hohes Innovationspotenzial. Ständig wird die Hardwareumgebung des Raspberry PI um Module erweitert, die in der traditionellen Automatisierungswelt kaum lieferbar sind. Zur üblichen Programmiersprache des Raspberry PI gehört das Phyton. Wenn der Anwender jedoch in eine Programmierung aus der Automatisierungswelt einsteigen will, bietet sich der 'Strukturierte Text' an. Viele Konstrukte, Statements und Darstellungsmethoden sind gleich und werden für den Informatiker bekannt sein. Damit kann der Einsteiger einen kontinuierlichen Weg gehen: Zunächst die Arbeit mit den Möglichkeiten der Standard-Literatur und anschließend der Erwerb eines 'RTS' bei 3S(Codesys) oder logi.RTS von logi.cals. Zunächst haben Schulungseinrichtungen und Autodidakten die Möglichkeiten sich mit niedrigsten Kosten auf Automatisierungslösungen auf hohem Niveau vorzubereiten. Die technischen Möglichkeiten gehen oft über eine traditionelle SPS hinaus und die lieferbaren Ergänzungsmodule (Displays, Kameras, WLAN, Funkmodul EnOcean Pi, Geräuschsensoren, GPS-Module, Temperatursensoren, RTC-Module u.v.m.) werden täglich erweitert. Auf diesem Wege können Schüler und Auszubildende in einem motivierenden Umfeld nicht nur den 'Strukturierten Text' kennenlernen, sondern auch den Kontaktplan, den Funktionsplan und vor allem die Ablaufsprache (SFC bzw. GRAFCET). Die Lösung mittels Codesys 3.5 bietet alle genannten Programmiersprachen, doch auch logi.cals zeigte auf Messen sehr vielversprechende Lösungen zum Thema 'Ablaufsprachen', die in der Ausbildung hilfreich sind. Dabei ist es interessant, dass im 'Wirkungsteil' der Ablaufsprache (wenn erforderlich) wiederum die Syntax des 'Strukturierten Textes' angewendet wird. Fertige Schulungssysteme werden von der Firma Horter & Kalb angeboten. Auf Anfrage kann auch das entsprechende RTS vorinstalliert werden. Damit können Schulen, Hochschulen und Universitäten, wie auch Ausbildungsbetrieben direkt starten, ohne sich um den Aufbau oder die Elektromontage zu kümmern. (http://www.horter.de/index.htm).

Abgrenzungen

Ein Raspberry PI, wie er im Handel erhältlich ist, wird kaum eine Basis für eine Industrielösung sein. Eine industrielle Steuerung hat zahlreiche Funktionen, die in der Steuerungstechnik erforderlich sind. Grundanforderungen an eine industrielle Steuerung:

  • • Remanente Speicherbereiche,
  • • kontrollierter Start und Stop des Systems (insbesondere bei Spannungsausfall),
  • • Überwachung der E/A-Ebene,
  • • Watchdog-Mechanismus mit programmierbaren Reaktionsstrategien,
  • • Echtzeitfähigkeit,
  • • u.v.m.

Doch im Hintergrund der hohen Innovationsgeschwindigkeit dieser kleinen und kostengünstigen Rechner kann man kurzfristig von Lösungen zu den Sicherheitsproblemen ausgehen, wenn der entsprechende Bedarf besteht. Die Literatur über Lösungen und Komponenten ist kaum zu überschauen.

Praktische Anwendungen

Bei der Recherche zu diesem Artikel wurde natürlich auch nach konkreten und nachvollziehbaren Lösungen recherchiert. In den entsprechenden Foren finden sich zahlreiche Beschreibungen, Hinweise und Unterstützungen. Oft sind es Aufgaben der Gebäudetechnik, der Messtechnik, der Automotivwelt, der Landwirtschaft sowie der modernen Energieversorgung und Speicherung (Beispiel für ein derartiges Forum: http://www.logicals.com/de/ forum/projekte). Um entwickelte Projekte zu industrialisieren bieten Firmen ihre Unterstützung an, die bisher mit selbstentwickelten Hardware-Plattformen und Basic oder auch 'C' gearbeitet haben. Ein Beispiel für ein derartiges Unternehmen ist die Firma Motron/Heßdorf. Dieses Unternehmen wird sein Angebotsspektrum erweitern und die selbstentwickelten Steuerungssysteme zusätzlich mit Codesys-Programmierung bzw. logi.CAD3 anbieten und ebenso Unternehmen unterstützen, um Lösungen auf Basis des Raspberry PI zu 'industrialisieren'.

Auswirkung

Die Innovationsgeschwindigkeit, Standards, Preise und die Lösungsansätze der Automatisierung werden momentan von den großen Anbietern der Steuerungstechnik bestimmt. Mit den unterschiedlichen, Linux-basierten Steuerungen treten neue Marktteilnehmer auf, die mit den erprobten und bekannten Entwicklungsumgebungen (Multiprog, Codesys 3.5 oder Logi.CAD3) auf die Programmiersprachen nach IEC61131-3 aufsetzen und damit keine Akzeptanzprobleme haben werden.

Zusammenfassung

Mit dem 'Strukturierten Text' besteht die Möglichkeit die 'Informatiker' und 'Automatisierer' miteinander zu versöhnen und moderne Automatisierungsansätze könnten die 'Welt des Industrie 4.0' vorbereiten. Damit ist der 'Strukturierte Text' nicht nur eine Programmiersprache, sondern hat gleichzeitig eine Brückenfunktion zwischen unterschiedlichen Programmierkulturen.