Industrie 4.0 und Echtzeit

Dieser Beitrag stellt verschiedene Synchronisationsmöglichkeiten für Echtzeitmessungen in einem Steuergeräte-Test vor. Zunächst wird das, in der Automobilindustrie etablierte, Hardware-inthe- Loop-Verfahren sowie die für den Test notwendigen Messarten erläutert. Davon abgeleitet werden die durch unterschiedliche Zeitbasen entstehenden Herausforderungen. Vorgestellte und diskutierte Lösungsansätze sind die Messung unterschiedlicher Signalquellen mit einer gemeinsamen Zeitachse, das Einbringen von Statussignalen in vorhandene Messkanäle sowie die Nutzung nicht relevanter, aber messbarer Größen als Synchronisationssignale. Durch ein reales Praxisbeispiel wird sowohl die Umsetzbarkeit gezeigt als auch die gewonnenen Erfahrungen dargelegt.

Die in der industriellen Automation verwendeten Echtzeitsysteme zeichnen sich heute durch einen hohen Aufwand an manueller Konfiguration aus. Industrie 4.0 beschreibt hingegen flexible Produktionssysteme, die schnell und einfach umgebaut und an neue Anforderungen angepasst werden können. Hier sollen in Zukunft automatische Konfigurationstechnologien Basis für adaptive Echtzeitsysteme und somit für wandlungsfähige Produktionssysteme sein, was auch als Plug and Work bezeichnet wird. Für die Konfiguration von Echtzeitanwendungen wie z.B. Motion Control ist unter anderem die Zeitsynchronisationsgenauigkeit von Bedeutung. Es entsteht die Frage, wie Genauigkeit eines verteilten Systems automatisch, also Plug-and-Work-fähig, bestimmt werden kann. Ein neuer Ansatz ist eine adaptive Ungenauigkeitsbestimmung auf Basis intelligenter Netzwerkknoten, welche Parameter wie Zeitsignaljitter und Oszillatorstabilität selbständig messen und zur Parametrisierung von Gerätemodellen, welche die Synchronisationscharakteristik beschreiben, nutzen. Die Modelle werden dann zur Bestimmung der in dem jeweiligen aktuellen Arbeitspunkten erzeugten Ungenauigkeiten verwendet.

Vorgestellt wird eine sicherheitsgerichtete Echtzeitprogrammiersprache, die den Sicherheitsanforderungen gemäß DIN EN 61508 für die Sicherheitsstufe SIL 3 genügt. Die Programmiersprache basiert auf der Programmiersprache PEARL 90 nach DIN 66253 und ermöglicht die Erstellung von besonders verlässlich verifizierbarer Software für sicherheitsgerichtete Echtzeitanwendungen. Die Programmiersprache bietet eine Programmierweise mit Funktionsplänen, Ursache-Wirkungstabellen, Meilensteindiagrammen und Kontrolltabellen, so dass Programme für die Sicherheitsstufe SIL 3 mit einer vereinfachten Form der diversitären Rückwärtsanalyse verlässlich verifizierbar sind. Die syntaktischen Regeln der Programmiersprache wurden zudem so definiert, dass sie inhärent bekannte Quellen für Programmfehler ausschließen und die Sicherheit steigern.

Die Programmierumgebung OpenPEARL90 soll die Programmiersprache PEARL für Ausbildungszwecke bereitstellen. Dazu wurde die unter Studierenden weit verbreitete Zielplattform Linux gewählt. Die Programmierumgebung gliedert sich im Wesentlichen in zwei Teile: Einen mit ANTLR realisierten Sprachumsetzer, der PEARL in C++ umsetzt, und ein in C++ realisiertes Laufzeitsystem, welches die Plattformadaption der Sprachkonstrukte bereitstellt. Das Projekt befindet sich in der Entwicklung, so dass hier der aktuelle Entwicklungsstand wiedergegeben wird.

Dieses Dokument beschreibt Konzeption und prototypische Umsetzung des I/O-Systems einer Linux Laufzeitumgebung für einen PEARL-Compiler. Aufbauend auf den Voruntersuchungen aus [1] entstand das OpenSource-Projekt „smallpearl“ [3]. In diesem Projekt entsteht ein PEARL-Compiler, der PEARL-Quellcode in die Zwischensprache C++ übersetzt und mit einer eigenen Laufzeitbibliothek zusammenführt, um das Laufzeitverhalten von PEARL zu ermöglichen. Das erste angedachte Laufzeitsystem ist Linux. Diese Arbeit beschreibt ein Konzept sowie eine prototypische Implementierung des gesamten I/OSystems der Laufzeitumgebung. Grundlage dafür bilden die bestehenden Artefakte der Laufzeitumgebung des „smallpearl“-Projektes [3]. Das Konzept des I/O-System umfasst Ein- und Ausgaben von Peripheriegeräten, eine offene Treiberschnittstelle und das Interruptsystem, dessen Verhalten der PEARL-Spezifikation [2] entspricht. Die prototypische Implementierung realisiert nicht das Interruptsystem.

Dieser Beitrag stellt eine modulare und erweiterbare Plattform für die Simulation verschiedener Sensoren mit digitaler Schnittstelle – wie zum Beispiel SPI, PSI5, SENT und LIN – vor. Auf Basis einer einheitlichen Mikrocontroller-Plattform ist die Simulation verschiedenster Sensoren mit unterschiedlichen Schnittstellen in Echtzeit möglich. Über die verwendete CAN-Schnittstelle ist die echtzeitfähige Integration in bestehende Test- und Entwicklungssysteme einfach möglich. Die vorgestellte Plattform ist dabei als Hilfsmittel für die Entwicklung und den Test einsetzbar. Des Weiteren wird die Erweiterbarkeit der Plattform für Sensorschnittstellen aus anderen Domänen, wie zum Beispiel IO-Link aus der Automatisierungsindustrie, aufgezeigt.

Durch modellgetriebene Softwareentwicklung können Tests und Analysen von Softwaresystemen bereits in der Spezifikationsphase durchgeführt werden. Hierfür werden Softwarearchitekturen in Simulationsmodelle übersetzt. Zur Spezifikation der statischen und dynamischen Aspekte von Softwaresystemen in UML werden u.a. Komponenten- und Sequenzdiagramme verwendet. Anhand von konstruierten Beispielen wird gezeigt, wie die einzelnen Bestandteile des UMLKomponentendiagramms und die des UML-Sequenzdiagramms nach Simulink übersetzt werden können. Hierbei wird vor allem das Übersetzen einer echtzeitspezifischen Erweiterung des Standard UML-Sprachumfangs behandelt.

In diesem Beitrag wird vor dem praktischen Hintergrund einer Fluoreszenzmessung der Raspberry Pi als Plattform für ein Echtzeitsystem betrachtet. Es werden dabei Linux und Xenomai im Kernel- und Userspace hinsichtlich der äquidistanten Ausgabe eines Impulses am GPIO-Ausgang verglichen. Für einen Xenomai-Kernelprozess werden die Reaktionszeiten der Flankenerkennung mittels Polling und Interruptsteuerung untersucht. Das Serial Peripheral Interface wird bezüglich seiner Einsetzbarkeit zur Datenübertragung unter Echtzeitbedingungen betrachtet und die Ausführungszeit einer 2 Byte-Übertragung vermessen. Aus diesen Untersuchungen wird die maximal garantierbare Abtastrate für die Fluoreszenzmessung hergeleitet.

Mit Industrie 4.0 steigen die Anforderungen an eine durchgängige Vernetzung im Bereich der Fabrik. Für die Umsetzung verteilter Anwendungen kommt vermehrt das Paradigma serviceorientierter Architekturen zum Einsatz. Darüber hinaus ist eine modellbasierte Kommunikation auf Basis semantischer Informationsmodelle sinnvoll. Echtzeitfähige Feldbussysteme, wie z. B. Sercos III, ermöglichen ein deterministisches Zeitverhalten in der Kommunikation.

Die Anbindung der Feldebene an eine serviceorientierte Architektur innerhalb der Fabrik wird über die Semantische Feldgeräte-Integrationsplattform (SFIP) erlaubt. Dies deckt die vertikale Integration konventioneller intelligenter Feldgeräte in die Leitebenen der Fabrik ab. Im Rahmen dieser Ausarbeitung wird das Laufzeitverhalten der SFIP für die Nutzung in der „smarten Fabrik“ evaluiert.

Die kollaborative Fertigung eines gemeinsamen Produktes auf unterschiedlichen Fertigungsmaschinen, die sowohl örtlich im Unternehmen verteilt oder unternehmensübergreifend stattfindet, ist eine Herausforderung der zukunftsgerichteten Produktion im Rahmen von Industrie 4.0. Dies umfasst die Verkettung von Produktionsanlagen und Robotern mit einer heterogenen Steuerungsarchitektur bei gleichzeitiger dynamischer Verwaltung der an der Produktion und Wartung beteiligten Produktionseinheiten. Ein weiteres Ziel neben der Vernetzung von Anlagen und Steuerungen ist die Integration aus dem Multimedia-Bereich bekannter Komponenten zur Einbindung des Menschen. Der Beitrag beschreibt die Integration der Aspekte Vernetzung und Auftragsmanagement mit der Losgröße eins und Berücksichtigung der Echtzeit-Randbedingung bei Produktionsmaschinen, hier roboterbasierten Produktionsmaschinen. Zur Umsetzung der genannten Aspekte wird ein Multiagentennetzwerk angewandt, welches intelligente, heterogene Softwareteile vernetzt und eine Optimierung der Abläufe ermöglicht.

Die Einbindung drahtloser CE-Geräte im Kfz hat in den letzten Jahren zugenommen, da sie als Schlüsselkompetenz für zukünftige Infotainmentsysteme im Automobil durch ihre weite Verbreitung und die erhöhte Nachfrage der Kunden identifiziert wurde. Diese Arbeit nimmt sich die vorherrschende Diskrepanz zwischen dem Infotainmentangebot der Automobilindustrie und den Wünschen der Kunden nach Flexibilität, Appvielfalt und geringen Kosten, die sie jedoch aus dem CE-Bereich gewöhnt sind, zur Motivation. In dieser Ausarbeitung geht es um die Demonstration der vollständigen, drahtlosen Integration eines Android CE-Gerätes ohne interne Head-Unit im Kfz. Genauer ist es das Ziel, durch eine Geschwindigkeitsregelanwendung auf einem Android Tablet das Echtzeitverhalten von Android und einer drahtlosen Übertragung zu untersuchen und so neue Verwendungsmöglichkeiten in Bezug auf das Automobil zu finden.

Der mit der Globalisierung verbundene Drang nach Verfügbarkeit von Daten und Diensten im Internet, aber auch die im Rahmen der Initiative Industrie 4.0 angestrebte Individualisierung und völlige Vernetzung industrieller Prozesse jeglicher Art stellen neue, erhöhte Sicherheitsanforderungen an Unternehmen entlang ganzer Lieferketten. Die Sicherheit betrifft aber nicht nur Waren und zugehörigen Daten, sondern auch Personen. Besonders anfällig sind diagnostische Daten und Akten, die im Verlauf medizinischer Untersuchungen und Behandlungen entstehen. In beiden Fällen können Verwechselungen und Missbrauch von Daten folgenschwere Konsequenzen haben. Da es völlige Sicherheit nicht geben kann, gilt es zu erreichen, dass alle Daten gesichert werden und alle an der Behandlung von Personen und Waren beteiligten Akteure vertrauenswürdig sind. Sicherheitstechnische und organisatorische Lösungen dieser Probleme und zum Nachweis der Vertrauenswürdigkeit der Akteure werden hier für die Bereiche Logistik und Gesundheitswesen vorgestellt, in denen der Status der Akteure auf Vertrauen zwischen Behandelnden und Behandelten bzw. zwischen Lieferanten und Abnehmern beruht, was gegenseitige Authentisierung und Autorisierung erfordert. Da in einen Prozess gewöhnlich mehrere Akteure einbezogen sind, müssen diese ihren Status zweifelsfrei nachweisen können, um effektiv zu arbeiten und um jedwede Unregelmäßigkeiten zu vermeiden.

Endgeräte der Automatisierungstechnik verfügen i. Allg. über eine Reihe von Kommunikationskanälen, die sich bzgl. Geschwindigkeit, Kosten und Verfügbarkeit stark unterscheiden. Die Übertragung sensitiver Daten im Bereich mobiler Steuerungs- und Überwachungstechnik erfordert daher eine Onlinekontrolle unter Realisierung einer hohen Ausfallsicherheit. Ein echtzeitfähiges Verfahren hierzu wird vorgestellt, das neben der Fehlertoleranz auch zur erhöhten Sicherheit der Datenübertragung beitragen kann.