Der ForgeIEC-Verbund

Sechs Programme, drei Wege, ein Takt

Und ein Dutzend Wörter, die man kennen muss, bevor irgendetwas davon Sinn ergibt.

Diese Seite ist der Einstieg: das Bild, die Begriffe, die Faustregeln und die Fallen. Sie erzählt die Fachpapiere nicht nach — wo eine Festlegung verbindlich ist, nennt sie das Papier, in dem sie steht. So gibt es für jede Aussage genau einen Ort, an dem sie geändert wird.

1. Die Werkstatt
2. Das Bild
3. Der Takt
4. Wem die Daten gehören
5. Drei Wege
6. Der Deskriptor
7. Ein Befehl
8. Vom Entwurf zur Anlage
9. Bus und Geräte
10. Wenn etwas ausfällt
11. Das Wort „Anvil“
12. Eine Zange bauen
13. Zeit und Vertrauen
14. Die Papiere

01 · Die Werkstatt

Die Namen sind kein Zufall. Der Verbund ist eine Schmiede, und jeder Teil heißt nach dem Werkzeug, dessen Arbeit er tut.

| Spark | Weg · Funke | Springt über: der Weg zwischen Rechnern, wenn eine Anlage nicht auf einem Knoten läuft. |

02 · Das Bild

Alles läuft als eigenes Programm nebeneinander auf einem Rechner — und redet über einen Speicher, den alle sehen.

flowchart TB
  subgraph HW[" Feldebene "]
    D1["Gerät<br/>Modbus TCP"]
    D2["Gerät<br/>EtherCAT"]
  end

  subgraph NODE[" Ein Anlagenrechner "]
    T1["Zange<br/>Segment 1"]
    T2["Zange<br/>Segment 2"]
    SUP["Anvil-Server (anvild)<br/>Aufseher und Eigentümer<br/>aller Variablen"]
    PLC["forgeiec_plc<br/>Rechenprozess, fährt den Zyklus"]
    SHM{{"Anvil-Schicht — geteilter Speicher<br/>Kanäle fester Größe, ohne Kopie"}}
    B["bellowsd<br/>Brücke nach außen (ruht)"]
    H["hearth-server<br/>Bedienoberfläche"]
  end

  EXT["Fremdes System<br/>entfernte Bedienung"]

  D1 --- T1
  D2 --- T2
  T1 --> SHM
  T2 --> SHM
  SUP -->|"startet, überwacht"| PLC
  PLC <--> SHM
  SUP <--> SHM
  SHM --> B
  SHM <--> H
  B <-->|"OPC UA"| EXT

Die Zangen reden nach unten mit der Hardware und legen nach oben ab. Bellows und Hearth lesen. Niemand kopiert etwas: alle greifen auf denselben Speicher.

03 · Der Takt

Eine Steuerung rechnet nicht, wenn etwas passiert. Sie rechnet immer — in festen Abständen, ob sich etwas geändert hat oder nicht.

Die Ordnung stammt aus der Norm IEC 61131-3 und ist vier Stufen tief:

Konfiguration
  └── Resource            eine Rechenressource
        └── Task          ← die Taktgeberin: trägt die Zykluszeit
              ├── Programm A   \  laufen je Zyklus
              └── Programm B   /  nacheinander, in fester Reihenfolge

Die Task ist die kleinste Einheit, die zyklisch läuft. Sie trägt die Zykluszeit; Programme sind das, was innerhalb eines Takts abgearbeitet wird. Ein einzelnes Programm bekommt nur dann eine eigene Rate, wenn es allein in einer Task liegt. Tasks sind unabhängig voneinander, jede in eigenem Strang.

flowchart LR
  A["① Eingänge<br/>lesen"] --> B["② Ausgangs-<br/>status lesen"]
  B --> C["③ Programme<br/>ausführen"]
  C --> D["④ warten bis<br/>zum Periodenrand"]
  D --> E["⑤ Ausgänge<br/>schreiben"]
  E -.->|"nächster Takt"| A
  style E fill:#F59E0B,stroke:#FBBF24,stroke-width:2px,color:#0F172A

Fünf Phasen. Die Pointe steht am Ende: die Ausgänge werden am Periodenrand geschrieben, nie mittendrin. Damit ist der Zeitpunkt, zu dem die Anlage sich bewegt, gleichmäßig — unabhängig davon, ob die Rechnung diesmal schnell oder langsam war.

Gewartet wird nicht in einer Schleife, sondern mit zwei Zeitgebern: einer startet den Zyklus, der zweite liegt genau auf dem Periodenrand. Eine selbstgebaute Warteschleife würde Rechenzeit verbrennen und Drift einbauen.

Zweimal so schnell abtasten, oder gar nicht

Wer eine Anlage seltener abfragt, als sie sich ändert, sieht Bewegungen, die es nicht gibt — derselbe Effekt, der im Film Wagenräder rückwärts laufen lässt. Deshalb muss die Abfrageperiode am Bus höchstens halb so lang sein wie der Systemzyklus. Der schnellste Strang bindet, und die Laufzeit verweigert sonst den Anlauf.

04 · Wem die Daten gehören

Zwei Festlegungen, die zusammen erklären, warum ein Fremdhersteller überhaupt etwas beisteuern darf.

Alle globalen Variablen gehören dem Aufseher

Das Anwenderprogramm hält keine eigene Kopie. Es bekommt Zeiger auf den einen echten Speicher und rechnet darin. Deshalb überlebt der Anlagenzustand den Austausch des Programms — und deshalb kann ein abgestürzter Rechenprozess neu gestartet werden, ohne dass die Werte verloren gehen.

Es gibt genau zwei Arten anzudocken

05 · Drei Wege, und wann welcher

Die häufigste Entwurfsfrage im Verbund lautet: worüber schicke ich das? Sie lässt sich ohne Nachschlagen beantworten.

Zwei Sätze halten das zusammen. Der erste: auf beiden Seiten identische Wege — derselbe Kanal für dieselbe Aufgabe, gleich ob Forge oder Hearth ihn benutzt. Kein Weg bedeutet hier das eine und dort das andere.

Der zweite: die Automatisierungswelt bleibt unter sich. Die Echtzeitebene verlässt ihre eigenen Mittel nicht. OPC UA ist die Grenze nach außen, nicht der Kitt nach innen.

06 · Der Deskriptor

Im geteilten Speicher liegt kein Text und kein JSON, sondern ein gepackter Block. Wer ihn lesen will, muss wissen, welches Byte was bedeutet.

Byte   0   1   2   3   4   5   6   7   8 …
       ├───┼───┼───┼───┴───┴───┴───┴───┤
       │ x │ h │ m │      Dauer        │
       └───┴───┴───┴───────────────────┘
         │   │   │           └── TIME,  Versatz 4, Größe 4
         │   │   └────────────── USINT, Versatz 2, Größe 1
         │   └────────────────── USINT, Versatz 1, Größe 1
         └────────────────────── BOOL,  Versatz 0, Bit 0

Diese Auskunft heißt Deskriptor: eine Liste, die je Feld Name, Typ, Versatz, Größe und gegebenenfalls das Bit nennt. Ohne sie sind die Bytes bedeutungslos; mit ihr ist das Lesen ein Zeiger und eine Addition.

Es fahren zwei verschiedene Ströme darüber, und sie werden gern verwechselt: die Prozesswerte, die das Steuerungsprogramm führt, und der Gerätestatus, den die Zangen melden. Gleicher Weg, verschiedene Absender, verschiedene Fragen.

07 · Ein Befehl ist kein Schreibvorgang

Einen Wert in den Speicher zu schreiben hat keine Empfangsbestätigung. Für eine Anzeige ist das gleichgültig. Für einen Befehl ist es das Gegenteil.

Wer einen Knopf drückt, muss „die Steuerung hat es getan“ von „die Steuerung hat es nie gesehen“ unterscheiden können. Ein Knopf, der still nichts tut, ist der schlimmste Fall. Deshalb ist ein Befehl ein Ablauf:

sequenceDiagram
    autonumber
    participant H as Bedienoberfläche
    participant S as Steuerung
    H->>S: _req setzen
    Note over S: sieht es, handelt
    alt angenommen
        S->>H: _ack
    else abgelehnt
        S->>H: _nak
    end
    H->>S: _req zurücknehmen
    Note over H,S: beide wieder bereit

Vier Phasen. Die drei Bits stehen im Deskriptor als solche gekennzeichnet, damit sie niemand für gewöhnliche Variablen hält und in einer Bedienoberfläche anzeigt.

Bei der Auswahl braucht die Steuerung deshalb keinen eigenen Speicher: sie liest, was ansteht. Umgesetzt ist der Ablauf einmal, in einer Bibliothek, die beide Seiten binden — damit das Verhalten zwischen ihnen nicht auseinanderlaufen kann.

08 · Vom Entwurf zur laufenden Anlage

Was passiert, wenn jemand „übersetzen“ drückt — und wie das Ergebnis auf die Maschine kommt.

sequenceDiagram
    participant E as Forge (Editor)
    participant A as anvild (Anlage)
    participant P as Rechenprozess
    E->>E: IEC-Adressen neu vergeben
    E->>E: Quelltext erzeugen + prüfen
    E->>A: Dateien übertragen (gRPC)
    Note over A: legt sie ab und wartet
    E->>A: Ereignisstrom abonnieren
    A->>A: bauen — auf der Anlage
    A->>P: starten
    A->>A: Deskriptor ausliefern

Kein Dateikopieren, kein Paket: die Quelltexte gehen über den Draht, und gebaut wird dort, wo es läuft. Der Bau beginnt erst, wenn der Editor den Ereignisstrom abonniert hat — ein Handschlag, damit niemand einen Bau anstößt, dessen Ausgang er nicht sieht.

Am Ende dieses Wegs entsteht auch die Decode-Karte — der Deskriptor aus Abschnitt 06. Die Laufzeit ergänzt ihn um die Quittungs-Bits und legt ihn dort ab, wo die Bedienoberfläche ihn findet. Deshalb passen Bytes und Bedeutung immer zu demselben Bau.

09 · Bus, Geräte und Gerätebeschreibungen

Wie aus einem Stück Hardware im Schaltschrank ein Name im Steuerungsprogramm wird.

Die Gerätebeschreibung

Zu jedem Gerät gehört eine FDD — eine Beschreibungsdatei des Herstellers. Darin stehen Identität, Kommunikationsprofile, die Datenpunkte mit Typ und Richtung, die Diagnosefelder und beim Koppler die Rechenvorschrift für den Diagnoseblock. Der Editor liest sie beim Katalogimport; die Zange liest sie nie — sie bekommt fertig aufgelöste Adressen.

Adressen werden gerechnet, nicht importiert. Wer ein Modul in einen Steckplatz setzt, bekommt die Variablen und ihre Adressen automatisch. Eine von Hand gesetzte Adresse wird als gesperrt vermerkt und bei keiner Neuvergabe überschrieben.

Wie aus einem Registerbit eine Aussage wird

flowchart TB
  K["Koppler-Beschreibung<br/>wo der Diagnoseblock liegt<br/>Basisadresse · Schrittweite · Blockgröße"]
  M["Modul-Beschreibung<br/>was ein Bit bedeutet<br/>Byte 11, Bit 4 = Drahtbruch Kanal 0"]
  E["Editor beim Import<br/>rechnet die absolute Adresse<br/>Koppler-Mathematik + Steckplatz"]
  T["Zange zur Laufzeit<br/>liest EINE Einheit, maskiert das Bit"]
  P["Im Programm:<br/>…Status.diag_ch0_wire_break"]
  K --> E
  M --> E
  E --> T --> P
  style P fill:#F59E0B,stroke:#FBBF24,stroke-width:2px,color:#0F172A

Vier Stufen, und der Grundsatz dahinter ist der wichtigste Satz des ganzen Bussystems.

10 · Wenn etwas ausfällt

Ein Gerät ist nicht einfach da oder weg. Es gibt zehn Zustände, und zwei davon werden regelmäßig verwechselt.

Kurzform: Degraded = teilweise blind, aber verbunden. Unreachable = gar keine Verbindung. Dazwischen liegen die Zustände des Auf- und Abbaus — Verbinden, Wartezeit nach Fehlschlag, abgeschaltet, heruntergefahren.

Dazu ein Lebenszeichen: bewegt sich der Zeitstempel eines Segments über mehrere Perioden nicht, gelten alle Geräte dieses Segments als offline — denn dann schweigt nicht die Hardware, sondern die Zange.

11 · Das Wort „Anvil“ bedeutet vier Dinge

Der häufigste Anfangsfehler. Er kostet keinen Nachmittag, sondern einen falschen Entwurf.

12 · Eine Zange bauen

Für den, der von außen ein Feldbusprotokoll beisteuert.

Die Laufzeit startet Ihre Zange als eigenen Prozess und gibt ihr zwei Angaben mit: welche Konfigurationsdatei und welches Segment daraus. Ihre Zange redet nach unten mit der Hardware und legt nach oben einen Block ab — den Zustand aller Geräte ihres Segments. Mehr ist es nicht.

Sie lauscht nirgends

Ihre Zange belegt keinen Port und braucht keinen registriert. Der einzige Port, der in einer Zange vorkommt, ist der des fremden Geräts — und der steht in der Konfiguration, nicht in einer Spezifikation.

Sie veröffentlicht je Segment, nicht je Gerät

Ein Segment, ein Prozess, ein Statuskanal; die Geräte stehen als Einträge darin. Kanäle je Gerät sind untersagt — sie wären mehr Wege für dieselbe Aussage, und niemand bekäme mehr einen Schnappschuss eines ganzen Buszyklus.

Sie sucht sich nichts

Es gibt keine Entdeckung, weil das Elternteil weiß, wen es erzeugt hat. Das Kind wählt nicht, es bekommt zugewiesen.

Was Sie mitbringen müssen

• Eine Zange — aber nur, wenn Ihr Protokoll neu ist. Sie erfüllt eine einzige Schnittstelle: verbinden, trennen, lesen, schreiben, Zustand melden.
• Eine Gerätebeschreibung je Gerät — immer. Ohne sie entsteht ein leeres Gerät ohne Variablen.
• Denselben Zustandsautomaten wie alle anderen, und einen eigenen Fehlercodebereich, der vorher vereinbart wird.
• Ausfallfestigkeit im Segment: ein unerreichbares Gerät darf die anderen nicht blockieren.

13 · Zeit und Vertrauen

Die Programme weisen sich einander mit Zertifikaten aus. Ein Zertifikat gilt von … bis — und damit hängt die Sicherheit des Verbunds an einer richtig gestellten Uhr.

Eine Steuerung ohne gepufferte Uhr kommt nach einem Spannungsausfall im Jahr 1970 hoch. Dann ist jedes Zertifikat „noch nicht gültig“, und kein Programm redet mehr mit einem anderen. Deshalb stellt die Laufzeit die Uhr, bevor irgendetwas anderes beginnt — über einen Zeitdienst, dessen Antwort selbst signiert ist.

Und wenn es doch fehlschlägt, ist das Ergebnis kein Schaden, sondern ein gemeinsamer sicherer Zustand: die Anlage kommt nicht hoch. Das ist ein Wartungsfall — sichtbar, eindeutig, und niemandem gefährlich.

14 · Wo das Verbindliche steht

Diese Seite ist der Einstieg, nicht die Festlegung. Jede Zahl, jedes Format und jede Zusage hat ihr eigenes Papier — und dort wird sie geändert.