Einsatz von Middleware-Technologien als Basis von verteilten Embedded Systemen

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1 Einsatz von Middleware-Technologien als Basis von verteilten Embedded Systemen

2 Die große Herausforderung: Industrie 4.0 Die Anzahl der Varianten steigt sowohl in der Steuerung als auch bei den Produkten. Mehr Flexibilität in der Fertigung durch Serviceorientierung Cyberphysische Systeme (CPS) haben eigene Zugänge über das Internet und damit neue Sicherheitsanforderungen. Smarte Produkte können durch die ganze Fertigungskette eindeutig identifiziert werden. Industrieanlagen werden vernetzt, um Produktionsabläufe über das Internet zusammenzuführen. Einheiten sind selbständig vernetzt, haben eigene HMI und können eigenständig agieren und Daten austauschen. Dezentrale autonome Echtzeitlösungen bringen unterschiedliche Technologien mit (z.b. Steuerung, Bildverarbeitung, Verwaltung). Der Energieverbrauch wird wichtiger Trend zu ARM-basierten Systemen.

3 Abgeleitete Anforderungen Um die Anforderungen zu erfüllen, muss eine moderne Integrationsplattform: mehrere Hardwareplattformen und Betriebssysteme unterstützen möglichst viele Protokolle und Busse unterstützen und jederzeit durch neue Protokolle erweiterbar sein sowie dynamische Netzwerktopologien erlauben I/O-Funktionen einfach und flexibel integrieren Hardwarewechsel erleichtern, ohne dass Codeanpassungen nötig werden Daten und Datenströme intelligent lenken und strukturieren Multicoresysteme und Multiprozessorumgebungen unterstützen und hohe Performance bei geringem Overhead bieten eine Vielzahl von Entwicklungstools und Programmiersprachen unterstützen möglichst viele Funktionen direkt integrieren, um die Adaption neuer Systeme ebenso wie die Entwicklung zu erleichtern

4 Middleware als Lösungsansatz Einführung einer Middleware-Schicht Durch Abstraktion von Betriebssystemen und Plattformen werden nicht nur Systemgrenzen überbrückt und vereinheitlicht, sondern vor allem die Applikation komplett von der Kommunikationsschicht getrennt. Eine aktive Netzwerkkomponente ermöglicht dynamische Topologien und deterministische Zugriffe für die lokale Anwendung. Offene Schnittstellen vereinfachen die Integration beliebiger Werkzeuge, I/O- Komponenten und Fremdsysteme. Die Programmierung und der Zugriff können durch verschiedenste Sprachen und Tools erfolgen. Middleware Basis für die Kommunikation mit der Applikation <-> OPC UA Ein intelligentes Datenmodell strukturiert die vorhandenen Daten und stellt eigenständige Funktionen bereit. Simulation der Produktion und Test der Applikation vereinfachen sowohl die Entwicklung als auch die Inbetriebnahme

5 Middleware setzt Standards z.b. im FP7 EU Forschungsprojekt COMVANTAGE Vernetzung von Standorten über das Internet neue Standards für Fernwartung und Monitoring die Lösung folgt auch der Zielsetzung von Industrie 4.0 Wir engagieren uns gemäß VDI 1000 im VDI-Richtlinienausschuss VDI/VDE GMA FA 5.16 Middleware in der Automatisierung (VDI/VDE 2657) Unsere Mission ist die Vernetzung von Technologien, um den Herausforderungen der Zukunft gemeinsam besser gerecht werden zu können. Middleware-Architekturen haben sich hierzu als hervorragend geeignetes Mittel erwiesen.

6 VDI/VDE 2657 Blatt 1

7 Middleware als Intermediate Layer Applikation Betriebssystem Hardware Applikation Middleware API Middleware Die Middleware-Layer befindet sich zwischen Applikation und Betriebssystem. Dadurch sind die Applikationen vom darunterliegenden System getrennt und unabhängig. Ein einheitliches Interface ermöglicht den Zugriff auf lokale und vernetzte Systeme. Die Middleware löst durch integrierte eigenständige Funktionen bereits viele Anforderungen und führt zu einer besseren Wiederverwertbarkeit der Software. Es entsteht eine signifikante Reduktion der Entwicklungszeit und -kosten Betriebssystem Hardware

8 Abstraktion des Betriebssystems Applikation Windows Inkompatible Applikation Linux Applikation Middleware API Middleware Windows Applikation Middleware API Middleware Windows Linux

9 Abstraktion von Bussen und Hardware Applikation Bekanntes Protokoll z.b. Profibus Kommunikation Application inkompatibel Neues Driver Protokoll z.b. Hardware EtherCAT Applikation Middleware API Middleware Altes Plug-In z.b. Profibus Applikation Middleware API Middleware Neues Plug-In z.b. Hardware EtherCAT

10 Middleware als universelles Interface Entwicklungsumgebungen Programmiersprachen Modellierungstools Anwendungen Test Simulation Visualisierung Middleware Abstraktionsschicht und intelligentes Datenmodell Service & Plug-Ins Betriebssystem, Treiber, Kommunikationsstacks, Protokolle Hardware I/O Netzwerke Feldbusse

11 Intelligentes Datenmodell Hierarchisch strukturiert Abbild der Realität Überbrückt System- und Netzwerkgrenzen Während der Laufzeit dynamisch erweiterbar Unbegrenzte Größe und Anzahl an Variablen Die Struktur des Datenmodells ist vergleichbar mit der Dateistruktur eines Filesystems.

12 Benutzerzugriff auf das Datenmodell Direktzugriff zur Laufzeit Read / Write Signale, Locks Gesichert durch Zugriffsrechte (Benutzer / Gruppen)

13 OS User Administration Zugriff und Benutzerrechte Applikation (läuft als User 1) Request: C, X Gamma Interface (GaAPI) Handles: C, X Gamma Service Prozess Memory PV A 1 PV B PV C Memory PV X 2 PV Y PV Z Memory 1 Access (r/w) allowed for: Root User 1 User 2 Memory 2 Access (r/w) allowed for: Root User 2 Gamma V Data Model Data Model Configuration (XML) Der Service Prozess übergibt den Applikationen auf Anfrage Handles zu PVs. Hat eine Applikation nicht die Benutzerrechte, um auf einen Speicherbereich zuzugreifen, werden Zugriffe über den Handle vom System abgewiesen.

14 Intelligente Prozessvariablen Polling Signal On Change Value Buffering (FIFO) Atomare Locks Netzwerk- Mapping Prozessvariable (inclusive Metadaten) Zugriffsrechte I/O-Mapping Simulation Grenzwertprüfung Logging

15 Intelligentes Datenmodell: Simulation dynamisch während der Laufzeit schaltbar Simulationswert ist unabhängig vom Ist-Wert eigener API-Befehl zum Schreiben auf den Simulationswert Hardware greift unabhängig vom Sim.-Flag immer auf den Ist-Wert zu. I/O-Hardware Prozessvariable Applikation Wert Ist-Wert Wert 42 Simulationswert Simulationsflag OFF ON Testprozess Wert 42 Entwickeln und Testen ohne Hardware Anpassung neuer Komponenten im virtuellen System

16 Intelligentes Datenmodell: Logging dynamisch während der Laufzeit schaltbar Logfiles können über das Netzwerk auf einem externen Rechner angelegt werden. I/O-Hardware Wert 17 Applikation Wert Prozessvariable Wert Logging Flag OFF ON Ringpuffer Logfile Zeitstempel Zeitstempel Ethernet Logging Task

17 Die Abstraktionsschicht ermöglicht Kommunikation in beliebige Netze Middleware API Datenmodell Userprozess Beliebige Kommunikationsstacks werden über spezifische Daemonen angebunden: Feldbusse Netzwerke Lokale I/O-Karten Service Der Code bleibt unabhängig von der Hardware; der Umstieg auf andere I/O- Funktionen bedingt keine Änderung in der Applikation. XML Configuration I/O-Daemon Adaption Kommunikationsstack Interface lokale I/O Netzwerk Feldbus

18 Dynamische Netzwerk Topologie System A System B System C Ethernet Info über Systeme A & B Ethernet Info über System C Liste der bekannten Systeme: System B Liste der bekannten Systeme : System A Liste der bekannten Systeme: Liste der bekannten Systeme: System B System C Liste der bekannten Systeme: System A System C Liste der bekannten Systeme: System A System B

19 Service Service Asynchrone Datenkommunikation SYSTEM 1 SYSTEM 2 Prozess A Prozess B Schreibt auf PV X PV A PV B PV C PV D PV X* Copy PV Y Copy Netzwerk PV V PV W PV X* PV Y PV Z Datenmodell Datenmodell Der Service synchronisiert den lokalen Cache der Prozessvariablen. Dieses intelligente Caching sorgt für stets aktuelle Daten und erlaubt so voll deterministische Zugriffe auch auf den Datenbestand entfernter Systeme.

20 Vernetzte Systeme skalieren Benutzerterminal SYSTEM 1: SYSTEM 2: SYSTEM n: (...) NETZWERK SYSTEM A: Logging Datenauswertung Visualisierung Mobile Bedieneinheit

21 Comvantage: neue Wege der Vernetzung User / Support App Sparcle Requests Linked Data Server 2. Anfrage 3. Handle 4. Zugriff 1. Initialisierung DHM Webserver / Proxy Middleware / Datenmodell Beispieladresse:

22 Durch Vernetzung zur Fabrik der Zukunft

23 Skalierbarkeit Die Flexibilität und Skalierbarkeit von Middleware-Plattformen ermöglichen maßgeschneiderte Lösungen für jeden Anwendungsfall: Komponenten SOCs Embedded Terminals Multi-CPU-Systeme...bis hin zu industriellen Großanlagen

24 Performanceanforderungen Die Middlewareplattform sollte... für Multicore- und Multithreading-Plattformen optimiert sein. deterministischen Datenzugriff auf entfernte Systeme bieten. in Multiprozessor-Umgebungen System- und Netzwerkgrenzen durch ein verteiltes Datenmodell überspannen. Real-Time Patch unter Linux unterstützen. Extreme Ansprüche: Datenmodellgröße: unbegrenzt* Anzahl der Prozessvariablen: unbegrenzt* Anzahl der I/O Kanäle: unbegrenzt* Netzwerkzugriff: deterministisch *) Begrenzungen durch die verwendete Hardware ausgeschlossen

25 Konfiguration des Datenmodells Die Gamma Eclipse Umgebung...oder mit anderen spezialisierten XML Tools.

26 Entwicklung mit etrice etrice - Toolchain

27 Spezialisierte Testumgebungen YAVE Testing Environment Model-based Test Case Generator.getmore CETES Test Environment

28 Visualisierung & Interfaces Verwendung von beliebigen Anzeigegeräten: Embedded-Systeme Android-Tablets Webbrowser Die Visualisierungssuite bietet komfortable Unterstützung internationaler Sprachen (auch right-to-left, z.b. arabisch und asiatische Sprachen).

29 Visualisierung & Interfaces Einfache Erstellung von Interfaces direkt aus dem Datenmodell heraus.

30 Programmierung für Gamma Die Gamma-API (Programmierschnittstelle) steht nativ für C / C++ zur Verfügung und bietet umfangreiche Befehle zur Arbeit mit dem Datenmodell und zur Prozesskontrolle. Alle Test- und Programmiersprachen, die in C / C++ übersetzen, können so direkt auf die Gamma Middleware aufsetzen. Für weitere Hochsprachen stehen Adaptionen zur Verfügung. Testskripte (z.b. in Python) werden über Wrapper aufgesetzt. Über radcase (IMACS GmbH) können SPS direkt transparent an Gamma andocken. radcase bietet eine modellbasierte Entwicklung und verringert den Entwicklungsaufwand. Tools für den Datenzugriff während der Laufzeit werden mit Gamma ausgeliefert (z.b. Gamma Explorer) und müssen nicht gesondert entwickelt werden.

31 Prozesskontrolle über ein Zeitmodell Loop: für zyklische Aktionen Prozess A Prozess A Prozess A Zyklus (z.b. 500µsec) Zyklus (z.b. 500µsec) Zyklus (z.b. 500µsec) Zyklische Signale unabhängig von der Prozesslaufzeit Scheduler: sequentielle Synchronisation von Funktionen und Prozessen (...) Core 1 Netzwerk Prozess 1 Prozess 2 Ausgänge Core 2 Eingänge Prozess 3 Logging Scheduler Actions: zur Integration von Hardware-Interrupts der I/O

32 Middleware-Technologie Ein guter Lösungsansatz zum Aufbau komplexer verteilter Embedded-Systeme.