Middleware - die Zukunft für Test und Automatisierung?

Autor: Dipl.-Ing. Robert Schachner, RST Industrie Automation

Beitrag - Embedded Software Engineering Kongress 2015

 

Das Thema "Industrie 4.0" ist als Zukunftsvision der verarbeitenden Industrie in aller Munde. Obwohl – oder gerade weil – die Definitionen schwammig bleiben und viele Firmen versuchen, ihre eigenen "Standards" zu platzieren, ist es umso wichtiger, sich jetzt mit den damit einhergehenden Herausforderungen auseinanderzusetzen und Lösungen zu suchen.

Auch der Markt für Testsysteme ist in ständiger Bewegung. Vorbei sind die Zeiten, in denen Standalone-Systeme einfache Testaufgaben ausgeführt haben. Heutzutage spricht man nicht mehr nur von HIL (Hardware in the Loop), sondern auch von MIL und SIL (Model in the Loop und  Software in the Loop). Darüber hinaus tritt auch der Integrationstest immer mehr in den Vordergrund. Hier testen Systeme das Zusammenspiel der einzelnen Komponenten untereinander. Um diesen neuen Vorgehensweisen und Herausforderungen begegnen zu können, sind modulare und offene Testtechnologien nötig.

Der Einsatz moderner Middlewareplattformen kann helfen, den neuen Herausforderungen in beiden Branchen zu begegnen.

Middleware - ein Überblick

Die zentrale Funktion von Middlewareplattformen ist die Kommunikation. Prozesse müssen Daten austauschen, sich untereinander koordinieren und I/O-Daten verarbeiten. Grundsätzlich können wir zu dieser Grundaufgabe drei Ausgestaltungen unterscheiden: das klassische Prozessdatenmodell, samplebasierte Datenströme und messagebasierte Kommunikation. Im Folgenden wollen wir kurz die Prinzipien und Funktionsweisen sowie Vor- und Nachteile der drei primären Kommunikationsformen beleuchten.

Das klassische Prozessdatenmodell
ist eine zentrale Struktur, in der stets nur die aktuellsten Daten vorliegen. Ein hierarchisch strukturiertes Datenmodell liefert ein reales Abbild, das sich zeitlich so nah wie möglich an den mechanischen Abläufen orientiert. Neuere Daten lösen dabei durch Überschreiben ältere Daten ab. Prozesse können so sehr schnell aktuelle Daten lesen und schreiben. Es ist daher ideal für zeitdiskrete Echtzeit-Anwendungen, wie zum Beispiel bei Regelungsabläufen. Dieses Verfahren ist auch typisch für klassische SPS-Steuerungen (siehe Abbildung 1, PDF).

Vorteile:

• Logische Anweisungen können sehr schnell ausgeführt werden.
• Zeitdiskrete Abläufe, wie zum Beispiel Regler, lassen sich hervorragend ausführen.

 Nachteile:

• Es wird immer nur der neueste Wert gespeichert, ältere Daten gehen jedoch verloren. So kann es bereits bei Kommandos oder Fehlernummern über das Prozessdatenmodell leicht zu Inkonsistenzen kommen (im SPS-Bereich wird dies toleriert).

 

Samplebasierte Datenströme (oder FIFOs)
sind direkte Punkt-zu-Punkt-Verbindungen zwischen zwei Prozessen, wobei die Rollen von Sender und Empfänger von Anfang an festgelegt sind. Der sendende Prozess schreibt seine Daten in einen Puffer, der vom empfangenden Prozess ausgelesen wird. Diese Vorgehensweise ist ideal für asymmetrische Kommunikationsvorgänge und umfangreiche Datenströme. Ein Einsatzfeld dafür sind zum Beispiel schnelles Analogsampling oder Audiostreams (siehe Abbildung 2, PDF).

Vorteile:

• Die Verarbeitungsgeschwindigkeit ist ähnlich der bereits beschriebenen Prozessvariablen.
• Die Verarbeitung kann asynchron zum Ereignis erfolgen.
• Daten gehen durch FIFO-Pufferung nicht verloren.

 Nachteile:

• Die Daten können nur für einen Prozess bereitgestellt werden (1:1).
• Die zeitliche Zuordnung erfolgt nur indirekt über einen Timestamp.

 

Die messagebasierte Kommunikation
verteilt über einen Message-Broker serialisierte Daten von und zu den einzelnen Prozessen. Dies geschieht entweder als Punkt-zu-Punkt-Verbindung oder über den Publish-/ Subscribe-Mechanismus, in dem Sender (Publisher) Daten über Informationskanäle (Topics) veröffentlichen und Empfänger (Subscriber) die für sie jeweils relevanten Themen abonnieren. Da Sender und Empfänger für den Datenaustausch nicht mehr direkt verbunden sind, müssen die Datenströme zwischen Systemen, wie zum Beispiel bei Feldbussen, nicht mehr manuell "verdrahtet" werden. Anlagenteile einer Maschine können sich so ohne Konfiguration zu einem Gesamtsystem zusammenfügen.

Mithilfe von Remote Procedure Calls können Funktionen außerhalb des lokalen Prozesskontexts ausgeführt werden. Dies ermöglicht den Aufbau von individuellen Funktionsbibliotheken (z.B. Alarm Management), die systemübergreifend ausgeführt werden (siehe Abbildung 3, PDF).

Vorteile:

• Datenverbindungen können 1:1 oder n:m ausgestaltet sein.
• Durch die Implementierung als Push-Dienst verpassen Prozesse keine Wertänderungen.

 Nachteile:

• Gerade bei größeren Datenmengen geht die zeitliche Zuordnung verloren.
• Serialisierung und Brokerage führen zu höheren Latenzzeiten.

 

Aber auch über die Kommunikation und Datenverwaltung hinaus bieten Middleware-Technologien zahlreiche weitere Funktionen, um Applikationsentwickler und Systemintegratoren zu unterstützen. Hier einige Beispiele aus der Gamma V Middlewareplattform.

Zur zeitlichen Synchronisation und Kontrolle von Prozessen stellt die Plattform ein Zeitmodell bereit:

• Loops aktivieren Prozesse und Funktionen der Middleware (siehe Abbildung 4, PDF).

• Ein Scheduler koordiniert die Ausführung von Prozessen und Middleware Funktionen auch im Multicore-Betrieb. Durch die Definition von Abhängigkeiten kann so die zeitliche Abfolge aller relevanten Funktionen und Programme koordiniert werden (siehe Abbildung 5, PDF).

 

Außerdem stellt das klassische Gamma-Prozessdatenmodell zahlreiche Funktionen zur Verfügung, die für jede Applikation genutzt werden können, ohne jedesmal den dafür nötigen Programmieraufwand zu betreiben:

• Polling / Signal On Change: Prozesse pollen ihre Variablen oder lassen sich wecken, wenn Änderungen vorliegen.
• Atomare Locks: Zur Synchronisation von Zugriffen durch unterschiedliche Prozesse
• I/O Mapping: Hardwarekanäle können direkt auf Prozessvariablen abgebildet werden. Auslesen und Setzen von I/Os erfolgt transparent durch Lese- und Schreibzugriffe auf die verknüpfte Variable.
• Zugriffsrechte: Schreib- und Leserechte können für einzelne Variablen oder Variablengruppen gesetzt werden.
• Limit Checking:  Bei Schreibzugriffen auf Variablen werden einstellbare Grenzwerte überwacht.
• Logging: Daten können zur Laufzeit mit einem Timestamp gelogged werden.
• Simulation: Für Test- und Simulation von Maschinen und Prüflingen bietet die Plattform eine extrem vielseitige Simulationsfunktion.  

 

Darüber hinaus kann das Datenmodell zur Laufzeit dynamisch erweitert werden.

Die Integration von I/O-Hardware erfolgt über Plug-Ins. Das erleichtert Hardware-Upgrades und Change Management. Durch das Vorhandensein einer offenen Schnittstelle ist es problemlos möglich, für eigene Hardware schnell und einfach Plug-Ins zu entwickeln (siehe Abbildung 6, PDF).

Neben den in der Gamma-Middleware bereits zahlreich vorhandenen I/O-PlugIns lassen sich eigene Funktionalitäten sehr einfach integrieren, sei es eine klassische I/O-Karte oder ein Feldbus. Alles, was Daten produziert, lässt sich integrieren.

Vernetzung und verteilte Systeme

Neben den Feldbussen, die über die I/O- bzw. Feldbusebene integriert werden, ermöglicht die Middleware auch eine Kommunikation über die Prozessebene. Damit ist die Middleware ideal für die Integration von Teilsystemen zu einem Gesamtsystem geeignet. Folgende Szenarien sind dabei möglich:

• Vernetzung des Prozessdatenmodells über Systemgrenzen hinweg
• Integration weiterer systemübergreifender Dienste wie zum Beispiel Alarm Management, Benutzerverwaltung, historische Daten, Integration von Datenbanken
• Kommunikation mit Android-basierten Apps
• Ausweitung der Kommunikation auf Anlagenebene über OPC UA

 

Unsere Strategie für die Zukunft

Trotz Handlungsbedarf gibt es aktuell viele Fragen und wenig Antworten. Unsere Strategie ist klar:

1. Mit den bereits heute verfügbaren Methoden und Werkzeugen entwickeln wir Testsysteme und Maschinen, die auch für zukünftige Entwicklungen gerüstet sind.
2. Durch die konsequente Verwendung offener Schnittstellen können neue Technologien zu jeder Zeit schnell und einfach adaptiert werden. Somit können wir auf neue Herausforderungen schnell und flexibel reagieren.
3. Die Integration dieser modularen Technologien braucht auch viele Köpfe. Deshalb engagieren wir uns in der Unternehmensvereinigung Embedded4You e.V.

 

Im Rahmen der langjährigen Zusammenarbeit mit dem Verein sind wir auf dem Weg schon weit vorangeschritten:

• Middleware als Kerntechnologie für die Vernetzung
• Werkzeuge, die je nach Anforderung an die Middleware angekoppelt/ kombiniert werden können:
  • SPS-Werkzeuge: IEC61131-3 oder IEC61499
  • Visualisierungswerkzeuge: XIBASE oder QT
  • IT-basierte Werkzeuge: C/C++, Python, eTrice
  • Testwerkzeuge: IsyTester, ITE, CCDL, MBTSuite
  • Simulation (basierend auf Matlab Simulink)
• Hardware:
  • Industrielle Hardware oder günstige Small-Computing-Lösungen ähnlich Raspberry Pi oder Beaglebone Black
  • Embrick als neue Form der Modularität von I/O-Funktionen, die Kostenreduktionen bis zu 30% gegenüber Standardtechnologien ermöglicht
   

Gemeinsam sind wir gefordert, die Anforderungen der Zukunft bereits jetzt umzusetzen.

 

 

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