Kommunikationstechnische Integration der Prozeßebene in Produktionssysteme durch Middleware-Frameworks

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Diss. Reihe Fertigungstechnik, Band 107

Language
de
Document Type
Doctoral Thesis
Issue Date
2020-02-03
Issue Year
2000
Authors
Stöckel, Thomas
Editor
Geiger, Manfred
Feldmann, Klaus
Publisher
Meisenbach
ISBN
3-87525-143-1
Abstract

The requirements for the flexibility and openness of information and communication systems within a company have changed significantly in recent years. On the one hand, new forms of cooperation between companies require closer linking of application systems across company boundaries. On the other hand, new fields of application, such as in-house simulation or remote diagnosis and remote maintenance of technical systems via the Internet, place ever-increasing demands on the integration of in-house information processing. The availability and access to current operating data play a very important role here in order to be able to make decisions quickly and based on well-founded data. However, the lack of integration of the process level in company-wide information processing is increasingly proving to be an obstacle. This problem was originally to solve with the use of fieldbus systems and the replacement of the signal transmission that had previously taken place analogously. In fact, however, the introduction of a large number of different and mutually incompatible bus systems made the transition from the process level to the cell level above it difficult. The current efforts of system manufacturers, fieldbus manufacturers and users are therefore concentrating on establishing a fieldbus-neutral access technology at this point. In practice, such an approach is limited in terms of functionality to the intersection of the services offered by the subordinate fieldbus systems and thus the productive data services. It is therefore not possible to use the data and functions offered by a field device directly. As it was shown in this thesis, a comprehensive solution to the integration problem bases on eliminating the heterogeneity that causes it. A distinction can made between heterogeneity at the implementation level and at the application logic level. This should especially be taken into account when formulating requirements that qualitatively describe how a suitable solution concept must be designed. By evaluating existing systems based on the requirements, the main deficits could clearly be identified. In a first step, the expansion of the existing systems was carried out with the aim of further fulfilling the requirements. First, an architecture was designed that offers functionally equivalent software components based on device profiles, which can be used at the cell and control level. The basic idea here is that the stipulations made in the device profiles about the information to exchange with a field device in a particular application and the possible interactions can be translated directly into corresponding software components. These also implement a direct communication connection to the relevant field device. The main advantages of this architecture are the time cuttings for application creation and application integration for those automation tasks that are already available in the form of profiles in a standardized manner. One requirement that users have repeatedly raised in connection with the use of fieldbus systems is the plug and play capability of the field devices. The aim is to be able to operate a device that is newly connected to the fieldbus immediately and to be able to address it from the cell or control level, ideally without having manually carry out software installations beforehand. This idea was taken up in a further architecture, in which the field devices are equipped with device-specific software components in the form of Java applets, which include all functions necessary for configuration and operation. By using appropriately designed transmission mechanisms, clients from higher levels or via the Internet can load these components and execute them locally. A virtual communication connection to the relevant field device is then established automatically, via which application-specific services are subsequently available. The most important advantage of this architecture is that the devices can be commissioned faster, as there is no need for complex installations. This brings us a significant step closer to the plug and play idea. A third concept includes the integration of the process level via a uniform middleware layer. With FIMO, a special middleware architecture was developed that conforms to CORBA, but has been adapted for the special requirements of the process level. It is based on the minimum CORBA specification, which is specially designed for embedded systems. As special features, FIMO has a distributed name service and a bridge for connection to the cell above plane. The concepts presented here could be successfully verify using an implementation via the PROFIBUS-FMS fieldbus system. The main advantage of this approach is that, from an application programmer's perspective, the boundaries between the various communications levels are removed completely. When expanding the existing systems, it became clear that only a comprehensive approach, as can be developed in the course of a middleware framework, is able to meet the required requirements at the level of implementation and application logic in equal measure. Two important design criteria could be identified in this context: the avoidance of the commitment to a specific middleware implementation and the provision of neutral description methods for mapping the data and functions of a field device. The first point taken into account in those different access methods to individual objects can be specified explicitly. Nevertheless, a certain access method must always be possible as the lowest common denominator. For this purpose, SOAP is proposing a simple and neutral point-to-point connection protocol that can be implemented via http. The second point met with the use of RDF for device-modeling as well as for application-modeling. RDF is characterized as a metalanguage that makes it possible to provide information about the model used in addition to the pure object descriptions. This property was used to provide the data sent back from a field device in the course of a method call to a client with corresponding metadata. In this way, simplified data and function integration in existing applications was achieved. The concepts and implementations presented in this thesis clearly show the potential of the fieldbus systems. They can not only cover the area of real-time data transmission at the process level, but also support the effective integration into company-wide information processing by means of suitable extensions. In contrast to the Ethernet-based transmission methods, which recently been intensively discussed again, the fieldbus technology can refer to a technology that has been tried and tested over the course of more than 15 years. In connection with the expected advance of Ethernet in connection with TCP / IP in the non-time-critical areas of the cell level and possibly the process level, the same problems can quickly arise as with today's fieldbus systems, since there is still no uniform application layer for automation technology. Here, too, the concepts proposed in this work can be seen as pioneering for future integration efforts.

Abstract

Die Anforderungen an die Flexibilität und Offenheit der Informations- und Kommunikationssysteme innerhalb eines Unternehmens haben sich in den vergangenen Jahren stark verändert. Zum einen bedingen neue zwischenbetriebliche Kooperationsformen eine engere Verknüpfung von Anwendungssystemen über Unternehmensgrenzen hinweg. Zum anderen stellen neue Anwendungsfelder, wie die betriebsbegleitende Simulation oder die Ferndiagnose und Fernwartung technischer Anlagen über das Internet, immer höhere Anforderungen an die Integration der innerbetrieblichen Informationsverarbeitung. Dabei spielt die Verfügbarkeit und der Zugriff auf aktuelle Betriebsdaten eine sehr wichtige Rolle, um Entscheidungen schnell und auf der Grundlage fundierter Daten treffen zu können. Die fehlende Integration der Prozeßebene in eine unternehmensweite Informationsverarbeitung erweist sich jedoch in zunehmendem Maße als Hindernis. Mit dem Einsatz von Feldbussystemen und der Ersetzung der bis dahin analog erfolgten Signalübertragung sollte dieses Problem ursprünglich gelöst werden. Tatsächlich erschwerte aber die Einführung einer Vielzahl unterschiedlicher und zueinander inkompatibler Bussysteme den Übergang von der Prozeßebene zu der darüberliegenden Zellenebene. Die gegenwärtigen Bemühungen der Systemhersteller, Feldbushersteller und Anwender konzentrieren sich deshalb darauf, an dieser Stelle eine feldbusneutrale Zugriffstechnologie zu etablieren. In der Praxis ist ein solcher Ansatz hinsichtlich der Funktionalität auf die Schnittmenge der von den unterlagerten Feldbussystemen angebotenen Dienste und damit der Produktivdatendienste beschränkt. Eine direkte Nutzung der von einem Feldgerät angebotenen Daten und Funktionen ist damit nicht möglich. Wie im Verlauf der Arbeit gezeigt wurde, basiert eine umfassende Lösung des Integrationsproblems auf der Beseitigung der sie verursachenden Heterogenität. Dabei kann man unterscheiden zwischen der Heterogenität auf Ebene der Implementierung und auf Ebene der Anwendungslogik. Dies wurde insbesondere bei der Formulierung von Anforderungen berücksichtigt, die qualitativ beschreiben, wie ein geeignetes Lösungskonzept gestaltet werden muß. Indem eine Bewertung bestehender Systeme an Hand der Anforderungen vorgenommen wurde, konnten dort die wesentlichen Defizite deutlich herausgearbeitet werden. In einem ersten Schritt wurde die Erweiterung der vorhandenen Systeme mit dem Ziel einer weitergehenden Erfüllung der Anforderungen betrieben. Zunächst wurde eine Architektur konzipiert, die auf der Basis von Geräteprofilen funktional äquivalente Softwarekomponenten anbietet, welche in der Zellen- und Leitebene eingesetzt werden können. Der Grundgedanke dabei ist, daß die in den Geräteprofilen getroffenen Festlegungen über die in einem bestimmten Anwendungsfall mit einem Feldgerät auszutauschenden Informationen und die möglichen Interaktionen direkt in entsprechende Softwarekomponenten übersetzt werden können. Diese realisieren zudem eine di rekte Kommunikationsverbindung zu dem betreffenden Feldgerät. Als wesentliche Vorteile der Architektur sind die Verkürzung der Zeiten zur Anwendungserstellung und zur Anwendungsintegration bei jenen Automatisierungsaufgaben zu nennen, die in Form von Profilen bereits standardisiert vorliegen. Eine Forderung, die die Anwender im Zusammenhang mit dem Einsatz von Feldbussystemen immer wieder erhoben haben, ist die Plug and Play-Fähigkeit der Feldgeräte. Ziel ist es dabei, ein am Feldbus neu angeschlossenes Gerät unverzüglich betreiben und von der Zellen- bzw. Leitebene aus ansprechen zu können, idealerweise ohne vorher manuell Software-Installationen durchführen zu müssen. Dieser Gedanke wurde in einer weiteren Architektur aufgegriffen, bei der die Feldgeräte mit gerätespezifischen Softwarekomponenten in Form von Java-Applets ausgestattet sind und die alle zur Konfiguration und zum Betrieb notwendigen Funktionen umfassen. Durch die Nutzung entsprechend konzipierter Übertragungsmechanismen können Clients aus darüberliegenden Ebenen oder über das Internet diese Komponenten laden und lokal ausführen. Dabei erfolgt automatisch der Aufbau einer virtuellen Kommunikationsverbindung zu dem betreffenden Feldgerät, über die anschließend anwendungsspezifische Dienste zur Verfügung stehen. Der wichtigste Vorteil der Architektur liegt in der schnelleren Inbetriebnahme der Geräte, da aufwendige Installationen entfallen. Damit kommt sie gerade dem Plug and Play Gedanken einen wesentlichen Schritt näher. Ein drittes Konzept beinhaltet die Integration der Prozeßebene über eine einheitliche Middleware-Schicht. Mit FIMO wurde eine spezielle, zu CORBA konforme, jedoch für die besonderen Belange der Prozeßebene adaptierte, Middleware-Architektur entwickelt. Sie orientiert sich dabei an der minimumCORBA-Spezifikation, die speziell auf Embedded Systeme ausgerichtet ist. Als Besonderheiten verfügt FIMO über einen verteilten Namensdienst und eine Bridge zur Anbindung an die darüberliegende Zellenebene. An Hand einer Implementierung über dem Feldbussystem PROFIBUS-FMS konnten die aufgestellten Konzepte erfolgreich verifiziert werden. Der wesentliche Vorteil dieses Ansatzes liegt in der aus Sicht eines Anwendungsprogrammierers vollzogenen, vollständigen Aufhebung der Grenzen zwischen den verschiedenen Kommunikationsebenen. Es wurde bei der Erweiterung der vorhandenen Systeme deutlich, daß nur ein umfassender Ansatz, wie er im Zuge eines Middleware-Frameworks erarbeitet werden kann, in der Lage ist, die geforderten Anforderungen auf Ebene der Implementierung und der Anwendungslogik gleichermaßen zu erfüllen. Zwei wichtige Entwurfskriterien konnten in diesem Zusammenhang identifiziert werden: Die Vermeidung der Festlegung auf eine bestimmte Middleware-Implementierung sowie die Bereitstellung neutraler Beschreibungsmethoden zur Abbildung der Daten und Funktionen eines Feldgeräts. Dem ersten Punkt wurde dadurch Rechnung getragen, daß verschiedene Zugriffsmethoden auf einzelne Objekte explizit angegeben werden können. Dennoch muß gewissermaßen als kleinster gemeinsamer Nenner eine bestimmte Zugriffsmethode immer möglich sein. Hierzu wurde SOAP vorgeschlagen, ein einfaches und neutrales Punkt-zu-Punkt Verbindungsprotokoll, das über http implementiert werden kann. Der zweite Punkt konnte mit dem Einsatz von RDF sowohl zur Gerätemodellierung als auch zur Anwendungsmodellierung erfüllt werden. RDF zeichnet sich als Metasprache aus, die es ermöglicht, neben den reinen Objektbeschreibungen auch Informationen über das eingesetzte Modell zu liefern. Diese Eigenschaft wurde u.a. dazu benutzt, um die von einem Feldgerät im Zuge eines Methodenaufrufs an einen Client zurückgesendeten Daten mit entsprechenden Metadaten zu versehen. Auf diese Weise wird eine vereinfachte Daten- und Funktionsintegration in bestehende Anwendungen erreicht. Die in dieser Arbeit vorgestellten Konzepte und Implementierungen zeigen deutlich die Potentiale der Feldbussysteme auf. Sie vermögen nicht nur den Bereich der Echtzeitdatenübertragung in der Prozeßebene abzudecken, sondern mittels geeigneter Erweiterungen auch die effektive Integration in eine unternehmensweite Informationsverarbeitung zu unterstützen. Im Gegensatz zu den seit kurzem wieder intensiv diskutierten Ethernet-basierten Übertragungsverfahren, kann die Feldbustechnik dabei auf eine im Verlauf von mehr als 15 Jahren nunmehr erprobte Technologie verweisen. In Verbindung mit dem zu erwartenden Vordringen von Ethernet in Verbindung mit TCP/IP in die nicht zeitkritischen Bereiche der Zellenebene und eventuell der Prozeßebene können schnell die gleichen Probleme wie bei den heutigen Feldbussystemen entstehen, da noch keine einheitliche Anwendungsschicht für die Automatisierungstechnik existiert. Auch hier können die in dieser Arbeit vorgeschlagenen Konzepte als wegweisend für zukünftig anstehende Integrationsbemühungen betrachtet werden.

Series
Fertigungstechnik - Erlangen
Series Nr.
107
Notes
Nach Rechteübertragung des Meisenbach-Verlags auf die FAU digitalisiert und online gestellt durch Geschäftsstelle Maschinenbau und Universitätsbibliothek der FAU im Jahr 2020. Koordination der Reihe: Dr.-Ing. Oliver Kreis. Für weitere Informationen zur Gesamtreihe siehe https://mb.fau.de/diss
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