Konzeption und Realisierung einer Middleware zur Unterstützung der Interoperabilität verteilter Software-Komponenten in der Automation

MA-Thesis / Master von Robert Neuwirth

Zusammenfassung:

Aufgrund der Beispiele einer Fertigungslinie, Kommissionieranlage sowie einer Gebäudeautomation wurden in Kapitel 2 die dort auftretenden Anforderungen an ein Software-System zur Unterstützung von automatisierten Anlagen aufgezeigt. Auf Basis dieser, bewusst recht unterschiedlich gewählten Beispiele, wurden die jeweiligen anlagenspezifischen Anforderungen analysiert und ausgewertet. Aus diesen spezifischen Anforderungen wurden dann in Kapitel 3 allgemeine Anforderungen abgeleitet und erarbeitet, die für alle beschriebenen Fälle einsetzbar sind und als eine Basis für die Entwicklung einer generell einsetzbaren Middleware dienen. In einem weiteren Schritt wurden in Kapitel 4 klassische Architekturen verteilter Software-Systeme auf ihre Verwendbarkeit in Bezug auf die ermittelten Anforderungen beleuchtet, sowie vorhandene Middleware-Lösungen wie CORBA, OPC und JINI auf deren Verwendungsmöglichkeiten und Grenzen untersucht.

In Kapitel 6 wurden daraufhin eine Anzahl konkreter Spezifikationen für die Realisierung von allgemein einsetzbaren Funktionen beschrieben, die sich aus den in Kapitel 3 erarbeiteten Anforderungen ableiten. Diese Funktionen wurden als von der Middleware bereitzustellende Dienste definiert. Die Dienste sind so konzipiert, dass sie in allen in Kapitel 3 beschriebenen Beispielen verwendet werden können und damit in der Automation universell einsetzbar sein sollten.

Das Kapitel 7 beschreibt die Implementierung eines Code-Generators mittels Einsatz der Werkzeuge Flex und Bison, als auch ein Vorschlag für den Einsatz von geeigneten Verschlüsselungsverfahren zur Realisierung eines Sicherheitskonzeptes.

Um die entwickelte Middleware auf ihre Verwendbarkeit zu prüfen, wurde schlussendlich eine reale Anwendung erstellt, die beispielhaft eine Kommunikation zwischen zwei recht unterschiedlichen Robotern demonstriert. Die Beschreibung der Anwendung sowie ein Erfahrungsbericht ist in Kapitel 8 zu finden.

Die umfassende Beschäftigung mit dem Thema verteilter Systeme in der Automation hat viele interessante Aspekte und Lösungsansätze für die Architektur einer unterstützenden Middleware in diesem Bereich aufgezeigt. Die erstellte Beispiel-Anwendung hat neben der Demonstration einer grundsätzlichen Machbarkeit auch Grenzen aufgezeigt, die zunächst nicht ersichtlich waren. Durch die Probleme bei der Entwicklung des Dispatchers und der API im Rahmen der Partner-Thesis ist zwar eine Umsetzung der vorgeschlagenen Middleware nur bedingt erfolgt, jedoch spricht dies nicht gegen das erstellte Konzept an sich.

Aufgrund der hier erstellten Konzeption kann die Realisierung einzelner Teile des Systems erfolgen, die wiederum als Grundlage für Untersuchungen dienen. Speziell die Frage nach realisierbaren Anforderungen im Rahmen einer weichen Echtzeit stellt ein spannendes Forschungsfeld dar. Schon die Demo-Anwendung hat gezeigt, dass mit ein paar wenigen Programmen der Einsatz der Middleware möglich ist. Somit ist mit relativ wenig Aufwand die Bildung einer Basis für solche Untersuchungen möglich.

Zunächst muss aber ein funktionierender Dispatcher programmiert werden. Dessen Funktionsweise kann dann mittels eines Simulations-Programmes getestet werden. In einer weiteren Test- und Verifizierungsphase kann die erstellte Beispiel-Anwendung verwendet werden, in dem der dort eingesetzten KSD gegen den MIDAS-Dispatcher ausgetauscht wird. Die weiteren Schritte könnten in einer schrittweisen Umsetzung der vorgeschlagenen Dienste liegen, wobei der Event-Viewer wohl eine der interessantesten Anwendungen darstellt. Auch die Protokollierung des Telegrammverkehrs inklusive Zeitstempeln stellt eine Grundlage für Auswertungen des System-Verhaltens dar, so dass die Entwicklung von Logging-Mechanismen sicher auch einer der ersten zu erstellenden Dienste darstellt.

Fazit: Verteilte Systeme in der Automation sind ein spannendes und hochaktuelles Thema das viele Entwicklungs- und Erweiterungsmöglichkeiten bereithält. Die vorliegende Thesis kann als eine Basis für die sukzessive Entwicklung einer umfangreichen Middleware verstanden werden.

Gang der Untersuchung:

Die vorliegende Thesis nähert sich aufgrund von beispielhaften Anwendungsfällen den Anforderungen an ein die Interoperabilität unterstützendes Software-System. In diesem Rahmen wird die Notwendigkeit der Ableitung applikationsübergreifender Funktionalitäten dargestellt. Darüber hinaus werden Vorteile sowie Nutzen des Einsatzes eines Software-Systems zur Unterstützung der Entwickler von verteilten Anwendungen, sowie Lösungsansätze zur Aufnahme von allgemein nützlichen Funktionen beschrieben. Das Software-System wird im Folgenden als Middleware bezeichnet:

„Unter Middleware versteht man Software, die zwischen der Anwendungssoftware und der Betriebssystemsoftware angesiedelt ist. Kommunikations-Middleware dient der vereinfachten und standardisierten Kommunikation der Komponenten eines verteilten Systems.“ Dem Autor ist bewusst, dass schon eine ganze Reihe von Middleware-Lösungen auf dem Markt verfügbar sind. Daher wird in Kapitel 4.2 zum Zwecke der Abgrenzung eine Untersuchung von gängigen Produkten wie CORBA, OPC und Jini durchgeführt.

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