Internetbasierte Datenintegration für Automatisierungssysteme

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1 Internetbasierte Datenintegration für Automatisierungssysteme Von der Fakultät Informatik, Elektrotechnik und Informationstechnik der Universität Stuttgart zur Erlangung der Würde eines Doktor-Ingenieurs (Dr.-Ing.) genehmigte Abhandlung Vorgelegt von Thorsten Strobel aus Nürtingen Hauptberichter: Mitberichter: Prof. Dr.-Ing. Dr. h. c. Peter Göhner Prof. Dr.-Ing. habil. Bernhard Mitschang Tag der Einreichung: Tag der mündlichen Prüfung: Institut für Automatisierungs- und Softwaretechnik der Universität Stuttgart 2006

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3 IAS-Forschungsberichte Band 1/2006 Thorsten Strobel Internetbasierte Datenintegration für Automatisierungssysteme D 93 (Diss. Universität Stuttgart) Shaker Verlag Aachen 2006

4 Bibliografische Information der Deutschen Nationalbibliothek Die Deutsche Nationalbibliothek verzeichnet diese Publikation in der Deutschen Nationalbibliografie; detaillierte bibliografische Daten sind im Internet über abrufbar. Zugl.: Stuttgart, Univ., Diss., 2006 Copyright Shaker Verlag 2006 Alle Rechte, auch das des auszugsweisen Nachdruckes, der auszugsweisen oder vollständigen Wiedergabe, der Speicherung in Datenverarbeitungsanlagen und der Übersetzung, vorbehalten. Printed in Germany. ISBN-10: ISBN-13: ISSN Shaker Verlag GmbH Postfach Aachen Telefon: / Telefax: / Internet: info@shaker.de

5 Die vorliegende Arbeit entstand während meiner Tätigkeit als wissenschaftlicher Mitarbeiter am Institut für Automatisierungs- und Softwaretechnik (IAS) der Universität Stuttgart. Mein besonderer Dank gilt Herrn Prof. Dr.-Ing. Dr. h. c. Peter Göhner für die Anregungen und die Unterstützung bei der Auswahl des Dissertationsthemas und bei der Erstellung der Arbeit sowie für die Übernahme des Hauptberichts. Herrn Prof. Dr.-Ing. habil. Bernhard Mitschang danke ich für das Interesse an meiner Arbeit und der Übernahme des Mitberichts. Allen Kolleginnen und Kollegen am IAS gilt mein Dank für die offene und kollegiale Atmosphäre und die gute Zusammenarbeit. Besonderer Dank geht an die Kolleginnen und Kollegen, die mein Manuskript kritisch und gründlich unter die Lupe genommen haben: Kirstin Barbey, Dr. Nasser Jazdi, Dr. Anne Töpfer, und Jan Traumüller. Ich danke den vielen Studierenden, die meine Arbeit am Institut und insbesondere meine Forschungsarbeit durch Studien- und Diplomarbeiten unterstützt haben und dabei halfen, die Ideen und Konzepte in Software zu gießen. Ein herzlicher Dank gilt meiner Frau, meinen Kindern und meinen Schwiegereltern für das Verständnis und die Geduld in der langen Zeit der Promotion. Schließlich danke ich meinen Eltern. Meinem Vater habe ich zu verdanken, dass ich den Weg in die Ingenieurwissenschaft eingeschlagen habe. Schade, dass weder er noch meine Mutter das Ende dieses Weges miterleben konnten. Stuttgart, im November 2006 Thorsten Strobel

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7 i Inhaltsverzeichnis Abbildungsverzeichnis... iv Tabellenverzeichnis...vii Abkürzungsverzeichnis...viii Begriffsverzeichnis... x Zusammenfassung...xii Abstract...xiii 1 Einleitung und Motivation Datenintegration für Automatisierungssysteme Herausforderungen bei der Datenintegration für Automatisierungssysteme Anwendungsszenarien für die Datenintegrationsplattform Gliederung der Arbeit Grundlagen Datenbanksysteme und deren Datenmodelle Begriffsdefinitionen im Zusammenhang mit Datenbanksystemen Relationale Datenbanksysteme Objektorientierte Datenbanksysteme XML-Datenbanksysteme Aufbau von Automatisierungssystemen Zusammenführung von Daten Zugriff auf Datenbestände Zugriff auf Datenbanksysteme Zugriff auf Automatisierungscomputer Zugriff auf sonstige Datenbestände XML-basierte Standards XML Schema Extensible Stylesheet Language Web Services Bestehende Konzepte und Ansätze zur Datenintegration Lose gekoppelte Systeme Föderierte Datenbanksysteme Konzept föderierter Datenbanksysteme Ansatz DataJoiner Ansatz Logic Programming in XML Ansatz Interoperable Relational and Object-Oriented Databases Ansatz Semi-Consistent Integrated Time-oriented Replication Approach Mediatorbasierte Systeme... 38

8 ii Konzept Mediatorbasierter Systeme Ansatz Stanford-IBM-Manager of Multiple Information Sources Ansatz Nimble Ansatz Garlic Ansätze aus der Automatisierungstechnik Ansatz Industrial IT Ansatz Aachener Prozessleittechnik/Kommunikationssystem Zusammenfassung der Ansätze Datenintegration für Automatisierungssysteme Anforderungen an die Datenintegration im Umfeld von Automatisierungssystemen Heterogenität der Datenbestände und Verteilungstransparenz Unterstützung von Schreibzugriffen Verteilung der Datenbestände im Internet Anzeige auf verschiedenartigen Ausgabegeräten Problematik des Realisierungsaufwands Abgleich der Konzepte mit den Anforderungen Eignung der Konzepte Eignung existierender Ansätze Auswahl und Erweiterung Grundlegende Entscheidungen für das Konzept Anbindung von Automatisierungssystemen Reduzierung des Realisierungsaufwands Unterstützung verschiedenartiger Ausgabegeräte Kommunikationsmechanismus für Internetbasierten Zugriff Konzept einer Datenintegrationsplattform für Automatisierungssysteme Grundlegendes Integrationskonzept Auswahl des kanonischen Datenmodells Internetbasierter Kommunikationsmechanismus Aufwandsreduzierung durch generische Wrapper Übersicht über die Integrationsplattform Aufbau der Wrapperschicht Aufbau der Föderierungsschicht Aufbau und Verwaltung der Metadaten Einsatz der Integrationsplattform Funktion der generischen Wrapper Einsatz generischer Wrapper Prinzipieller Aufbau Kommunikationskomponente als invarianter Teil Abfragekomponente als spezifischer Teil Funktionaler Aufbau der Plattform DIPAS Übersicht über die Integrationsplattform Realisierung der Wrapperschicht Schnittstellen eines Wrappers... 92

9 iii Lebenszyklus eines Wrappers Interner Aufbau eines Wrappers Wrapper für Automatisierungssysteme Realisierung der Föderierungsschicht Schnittstellen des Föderierungsdienstes Lebenszyklus des Föderierungsdienstes Interner Aufbau des Föderierungsdienstes Realisierung der Metadatenverwaltung Aufbau der Metadatenverwaltung Struktur der Metadaten Aufbau der Werkzeugunterstützung in DIPAS Initialisierungswerkzeug Wrapperkonfigurator Integrator Fallbeispiel einer Datenintegration Demonstrationsanlage am IAS Datenbestände in der Demonstrationsanlage Prozessdatenbank Wartungsprotokollverwaltung Rezept-Datenbank Online-Hilfesystem Automatisierungssystem Kaffeeautomat Integrationsplattform DIPAS Web Services mit Axis Realisierung der generischen Wrapper Realisierung des Föderierungsdienstes Realisierung der Metadatenverwaltung Service-Portal als globale Anwendung Ergebnisse Schlussfolgerungen und Ausblick Eigenschaften des vorgestellten Konzepts Ausblick Literaturverzeichnis A Anhang A.1 Operationen der Kommunikationskomponente A.1.1 Leseoperation A.1.2 Änderungsoperation A.1.3 Einfügeoperation A.1.4 Löschoperation A.2 Web Services mit Axis ausführliche Darstellung A.3 Ablauf im Föderierungsdienst