Von Dr. Harry Hengster, Martin Hoffmann, Mathias Mühhause, Matthias Riedl

Das Paradigma des virtuellen Automatisierungsnetzwerkes, das dem VAN-Projekt zugrunde liegt, integriert sowohl öffentliche, private als auch industrielle Kommunikationstechnologien zu einem einzigen skalierbaren System mit einer im Idealfall garantierten Dienstgüte (Quality of Service – QoS). Das dahinter stehende Konzept ermöglicht eine sichere, zuverlässige und echtzeitfähige Ende-zu-Ende-Kommunikation für räumlich verteilte Automatisierungsfunktionen, ähnlich den in der Bürowelt bekannten virtuellen privaten Netzwerken (Virtual Private Networks – VPN). Die Anwendung neuer Kommunikationstechnologien in derart verteilten Steuerungssystemen zwingt das klassische Engineering zu alternativen Ansätzen, um weiterhin effizient zu sein. Daher gilt es, den Engineering-Lebenszyklus den zusätzlichen Anforderungen in Form von erweiterten methodischen Ansätzen und Anwendungen anzupassen.

Zum Planen, Umsetzen und Betreiben von Automatisierungsnetzwerken gibt es eine Vielzahl von Engineering-Werkzeugen. Ausgangspunkt für die Entwicklung des benötigten Engineerings im Rahmen des VAN-Projektes ist daher zunächst die Klassifizierung hinsichtlich ...

• Funktionalität (Parametrierung, Programmierung).
• Lebenszyklusphase (Modellierung, Planung, Konfiguration, Inbetriebnahme, Betrieb und Wartung).
• Gerätetyp (SPS, Remote-IO, Drives, Transmitter, HMI und Netzwerkkomponenten).

Diese Klassifizierung hilft, eine strukturierte Übersicht über die existierenden Engineering-Werkzeuge zu bekommen. Ein typisches VAN-System, das aus einer oder mehreren VAN-Domänen besteht, kann sowohl aus Industrie- als auch aus Büronetzwerken bestehen. Wie im ersten Teil der Serie beschrieben,  dient eine VAN-Domäne dazu, lokale industrielle Automatisierungsprojekte zu einem komplexen verteilten Projekt zu verschmelzen, um eine Gesamtaufgabe zu erfüllen.

Die Phasen des Engineerings

Die Verbindungen zwischen den Netzwerksegmenten sind sowohl über industrielle, als auch über öffentliche kabelgebundene oder kabellose Kommunikationsnetzwerke realisierbar. Dies bedeutet für das Engineering, dass die Anwendungen und die Kommunikationskonfiguration für jedes individuelle Netzwerksegment (industriell, Büro, privat und öffentlich) „engineered“ werden müssen. Weitere Aufgabe des VAN-Engineerings ist es, sämtliche Verknüpfungen zu einer Gesamtanwendung mit all ihren Anforderungen zu realisieren.

Ein modernes Engineering für vernetzte Systeme ist charakterisiert durch eine Phaseneinteilung bestehend aus Modellierung, Planung, Konfiguration, Inbetriebnahme, Instandhaltung und Produktion. Die ersten beiden Phasen definieren die funktionalen Aspekte sowie die Anforderungen des geplanten Anwendungsfalls und die dafür benötigten Technologien. Die übrigen Phasen dienen der Implementierung und dem Erstellen des Systems. Beide Aspekte (Funktionsentwurf und Implementierung) müssen miteinander verknüpft werden, um eine lauffähige und den Anforderungen gerecht werdende Automatisierungsfunktion zu bekommen. Zusätzlich muss das Engineering Anwenderforderungen berücksichtigen, die im gesamten, geografisch verteilten VAN-System zu gewährleisten sind.

Um die Durchgängigkeit des Informationsflusses durch alle Phasen zu erreichen, wurde innerhalb des VAN-Projektes ein Informationsmodell definiert. Dieses beschreibt die Struktur für alle Informationen, die für den vollständigen Systementwurf inklusive der Definition der QoS-Parameter für die Kommunikationsbeziehungen innerhalb eines VAN-Systems nötig sind. Die für das Engineering eines konkreten VAN-Systems relevanten Daten werden in einem Instanzmodell verwaltet, das heißt in einer Instanz des Informationsmodells für das konkrete VAN-System. Die Verwendung dieser Information obliegt den Engineering-Werkzeugen, die innerhalb des VANForschungsprojektes in zwei Arten eingeteilt wurden:

• VAN-Engineering-Client für ein Automatisierungssystem (VAN-ECS), der das gesamte Automatisierungssystem abbildet.
• VAN-Engineering-Client für ein Automatisierungsgerät (VAN-ECD), der für die Konfiguration und Inbetriebnahme einzelner VAN-Geräte verwendet wird.

Die Modellierung

Der erste Schritt eines Engineering-Prozesses besteht darin, alle anwenderspezifischen Anforderungen zu erfassen. Ein formales Modell mit all diesen Anforderungen ist eine solide Grundlage für die Spezifikation während der Planungsphase. Das VAN-Engineering verwendet UML zur formalisierten Beschreibung des VAN-Informationsmodells, das Grundlage für die Arbeit der Werkzeuge ist und drei Sichten zur Verfügung stellt:

• die topologische Sicht auf die Konfiguration von VAN-Geräten oder Geräte-Gruppen. Dies können sowohl Infrastrukturkomponenten wie ein VAN-Access-Point sein, als auch automatisierungsspezifische Komponenten wie das VAN-Automation-Device.
• die funktionale Sicht auf die formale Repräsentation der Ergebnisse aus der Modellierungs- und Planungsphase. s die Netzwerksicht auf den Zusammenhang zwischen den VAN-Domänen und spezifischen VAN-Geräten.

Topologische und funktionale Sicht sind in heutigen Werkzeugen übliche Repräsentationsformen. Die Netzwerksicht ist zusätzlich notwendig, weil Übergänge zwischen verschiedenen Kommunikationssystemtypen – zum Beispiel zwischen Feldbus und öffentlichem Netzwerk – verwaltet werden müssen. Die funktionale Sicht eines VAN-Systems teilt das System in einzelne Funktionskomponenten auf (ähnlich Funktionsbausteinen) und beschreibt deren Interaktionen. Das Hauptaugenmerk liegt dabei auf dem Datenaustausch und der Datenübertragung zwischen den Funktionskomponenten. Dies ermöglicht eine Trennung des funktionalen Entwurfs von der gerätetechnischen Umsetzung.

Die Planung

Die Planungsphase nutzt die in der Modellierungsphase bereitgestellte Information, um die geeigneten Geräte und Netzwerktechnologien für das Automatisierungssystem auszuwählen. Die Auswahl basiert auf funktionalen und nicht-funktionalen Anforderungen sowie den verfügbaren Geräten mit ihrer jeweiligen Charakteristik. Zusätzlich zur Auswahl werden im gleichen Prozessschritt die Netzwerktopologie und die hierarchische Struktur der VAN-Domänen und ihrer Sub-Domänen definiert. Die Planungsphase in einem VAN-Projekt beruht auf der strikten Trennung zwischen funktionalem Entwurf und der Geräte-Implementierung; dies erlaubt eine Top-Down-Vorgehensweise.

Die Konfiguration

Dekomposition eines VAN-Projektes in verschiedene Objekte des Instanzmodells und Aufteilung in verschiedene Sichten.

In der Konfigurationsphase werden die Netzwerkeinstellungen vervollständigt und die eingesetzten Geräte konfiguriert. Die verwendeten Engineering-Werkzeuge können die Geräte im Offline-Modus konfigurieren, basierend auf der mitgelieferten Gerätebeschreibung. Für die Parametrierung und den Download der Konfiguration und der Programme ist entweder eine direkte Verbindung zum Gerät oder eine Verbindung über das Netzwerk erforderlich. Nach erfolgreicher Konfiguration aller Geräte ist es Aufgabe des Engineering-Werkzeuges, die projektspezifischen Daten in die Projektdatenbank oder -repository zu speichern. Die Ablage dieser Daten muss nicht zwingend in einer zentralen Datenhaltung erfolgen; je nach benutztem Werkzeug lassen sie sich auch lokal speichern.

Die Inbetriebnahme

Zur Einrichtung eines vollständigen VAN-Systems werden in dieser Phase alle vorkonfigurierten und vorgruppierten Geräte und Teilsysteme schrittweise integriert. Die Nutzung der Engineering-Werkzeuge, die eine Verbindung zum entsprechenden Automatisierungssystem aufbauen müssen, geschieht nun im Online-Modus. Für jede Kombination von Geräten und Teilsystemen sind spezifische Konfigurationsparameter notwendig.

Betrieb und Instandhaltung