Telefon: +49 711 685-82410

www.isw.uni-stuttgart.de


Echtzeit virtualisiert

Steuerungstechnik aus der Cloud

In Teil zwei der Artikelserie 'Steuerungstechnik aus der Cloud' stellen wir uns der Aufgabe, Echtzeit zu virtualisieren. Erfolgt die Maschinensteuerung aus der Cloud heraus, sind verteilte Hardwaresysteme nötig. Die IT hat durch den Einsatz von Pay-per-user-Geschäftsmodellen und Cloudanwendungen bereits eine skalierbare Architektur geschaffen, die es nun gilt, auf die Steuerungstechnik zu übertragen.

Bild: Siemens AGBild: Siemens AG
Abbildung 2 | Systemarchitektur des Jailhouse-Hypervisors

Die Nutzung der ersten Transistoren und Betriebssysteme Ende der 50er-Jahre sowie die Marktreife von Multiprozessorsystemen in den 80ern hat insbesondere für die IT-, aber auch für die Steuerungstechnik-Branche zunehmend an Bedeutung gewonnen. Das rasante Wachstum des Internets in den 90er-Jahren und die steigende Integrationsdichte von Transistoren auf Prozessoren führten zu Entwicklungen wie Multi-Core-CPUs und Virtualisierungslösungen. Insbesondere Letzteres ist für den effizienten und verteilten Betrieb von Rechenzentren und Cloudarchitekturen nicht mehr wegzudenken. Stellt man dieser Entwicklung den Fortschritt in der Automatisierungstechnik gegenüber, erkennt man eine deutliche Diskrepanz von ca. zehn Jahren zwischen der Nutzung von Lösungen in der IT und in der Steuerungstechnik. Während der Markt für Multi-Core-CPUs bisher stark von IT-Lösungen dominiert war, rücken seit 2011 Multi-Core-CPUs auch für die Steuerungstechnik in den Vordergrund. Dort sind aufgrund der meist hardwarenahen Entwicklung sowie der Anforderungen an geringe Zykluszeiten und Echtzeitverhalten bisher keine virtualisierten Lösungen verfügbar. Im Rahmen des Forschungsprojekts Picasso (Industrielle cloudbasierte Steuerungsplattform für eine Produktion mit cyber-physischen Systemen) haben sich die Projektpartner der Herausforderung gestellt und eine Plattform zur Virtualisierung von Echtzeitbetriebssystemen unter der Einhaltung des Zeitdeterminismus realisiert. Bisher laufen Maschinen im Bereich der Robotik und Automatisierungstechnik auf abgeschlossenen sogenannten monolithischen Steuerungen, deren vorhandene Rechenleistung meist nicht ausgenutzt wird oder bei komplexen Algorithmen um ein Vielfaches nicht ausreichend ist. Der Schwerpunkt des Projekts Picasso liegt nun auf der Instanziierung und Ausführung von Steuerungen und Mehrwertdiensten auf einer cloudbasierten Steuerungsplattform. Hierfür haben die am Projekt Beteiligten eine Systemarchitektur entworfen, die mithilfe einer Abstraktionsschicht die unmittelbar vorliegende Hardware-Architektur von der Betriebssystemebene löst. Aus der Anforderungsanalyse wird deutlich, dass es nötig ist, einen hybriden Einsatz von Echtzeit- und Nicht-Echtzeitbetriebssystemen auf Windows- und Linux-Basis zu gewährleisten, um verschiedene Steuerungen oder Mehrwertdienste auszuführen. Die Kommunikation zwischen den Instanzen kommt mithilfe einer Intermodulkommunikation auf Basis von OPC UA zustande. Neben der Instanziierung von Steuerungen und Mehrwertdiensten ist die Möglichkeit zur Überwachung der Auslastung (CPU-Last, RAM-Füllstand etc.) und Konfiguration neuer Instanzen erforderlich. Durch eine Lastverteilung ist somit das bedarfsgerechte Verschieben einzelner Module bei erhöhtem Ressourcenanspruch möglich.

ISW Universität Stuttgart

Dieser Artikel erschien in Automation im Focus ISW 2017 - 18.04.17.
Für weitere Artikel besuchen Sie www.sps-magazin.de

Firmenportrait