Comparison between event-based and scan-based execution models and programming languages for automation systems

Abstract

In den 1970er Jahren hielt die SPS Einzug im Feld der Produktionsund Fertigungstechnik. Als Ersatz für festverdrahtete Logik wurde sie fixer Bestandteil in der heutigen industriellen Automationstechnik. Zu Beginn wurden verschiedene Programmiersprachen für SPSen definiert, welche nach einiger Zeit, aus Gründen der Übersichtlichkeit, zum IEC 61131 Standard kombiniert und harmonisiert wurden. Als Nachfolger von IEC 61131 wurde der IEC 61499 Standard entwickelt, mit dem Ziel komponentenund modulbasierte Systeme zu erstellen. Heutzutage werden beide Standards im Feld der industriellen Automationstechnik verwendet, was die Frage der Eignung von IEC 61131 und IEC 61499 für typische Anwendungsklassen aufbringt. Diese Arbeit befasst sich mit der Erstellung eines systematischen Vergleichs basierend auf Software-Metriken zwischen IEC 61131 und IEC 61499, mit dem Ziel ihre Eignung für typische Applikationsklassen zu analysieren. Um faire Bedingungen zu garantieren wird aus FORTE eine IEC 61131 Laufzeitumgebung abgeleitet. Zusätzlich wird eine Test-SPS vorbereitet, welche für die Ausführung der implementierten Programme verwendet wird. Beide Implementierungen werden dann mit Hilfe der McCabes zyklomatische Komplexität und der Halstead Software-Metrik ausgewertet, um einen objektiven Vergleich zu präsentieren. Die IEC 61499 Implementierung der sequentiellen Aufgabe hat um 73% veringerten Programmieraufwand als sein IEC 61131-3 FBD/ST Pendant, weshalb der IEC 61499 Standard besser für sequentielle Aufgaben geeignet ist. Für die Implementierung kontinuierlicher Aufgaben hingegen eignet sich der IEC 61131-3 Standard besser. Die Programmierschwierigkeit im Falle der IEC 61499 ist zwar um 27% höher, jedoch ist der Programmieraufwand der IEC 61131-3 FBD/ST Implementierung um 37% geringer.

In the 1970s, the PLC came up for the first time in the field of manufacturing by replacing hardwired control logics and became indispensable in todays industrial automation. Several definitions of programming languages for PLCs were developed, which later, due to lacking clarity, were combined and harmonised into the IEC 61131 standard. As a successor of the IEC 61131, the IEC 61499 was designed enabled the creation of moduleand component-based systems. In implementations of todays industrial automation systems both standards are used, which raises the question on the suitability of IEC 61131 and IEC 61499 for typical classes of applications. This work proposes a systematic comparison based on software metrics between IEC 61131 and IEC 61499 with the aim of discussing their suitability for typical applications in industrial automation. In order to ensure fair conditions, an IEC 61131 run-time environment is derived from FORTE. Additionally, a test PLC is set up, which is used to execute programs in both standards. Both implementations are then evaluated via McCabes Cyclomatic Complexity and the Halstead software measures, providing an objective comparison. The sequential task implemented in IEC 61499 has a 73% reduced program effort compared to its IEC 61131-3 FBD/ST analogon. Hence, the IEC 61499 standard is better suited for sequencer applications. However, for the continuous task the IEC 61131-3 is better suited for the implementation. This is because, even though the program difficulty is 27% higher than in the case of IEC 61499, the IEC 61131-3 FBD/ST implementation shows a program effort reduced by 37%.