Die Umsatz-Prognose des Bundesverbandes Informationswirtschaft, Telekommunikation und neue Medien verdeutlicht, dass Cloud-Computing zu dem am stärksten wachsenden IT-Segment gehört.

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Die klassische Automatisierungs-Hierarchie wandelt sich zunehmend zu einer flachen Automatisierungs-'Wolke'. In dieser Wolke beziehungsweise Cloud kommen zwei neue Technolo­gien respektive Paradigmen zum Einsatz:

• Serviceorientierte Architekturen (SOA)
• und die Agententechnologie.

Beide Strategien bieten die Möglichkeit, einheitliche Schnittstellen zu erstellen und eine Durchgängigkeit von der Feldebene bis in die Enterprise-Ebene zuzulassen.

Der Trend zur räumlichen und funktionalen Verteilung von Automatisierungsfunktionen ist bei Weitem nicht neu. Bisherige Lösungen setzten aber immer auf proprietäre und für die Automatisierungstechnik spezialisierte Lösungen, die sich aber aufgrund ihrer Kompliziertheit und nicht ausreichender Industrieunterstützung (zum Beispiel CORBA) kaum durchsetzen konnten. Erst die neuen und standardisierten IT-Technologien mit Web/Internet an der Spitze schufen die Voraussetzungen für eine räumlich unbegrenzte Verteilung von Funktionen/Diensten und werden nunmehr auch für die Automatisierungstechnik zunehmend interessant.

Auf die Prozessleittechnik (PLT), die sich mit übergeordneten und koordinierenden Automatisierungsfunktionen bereits naturgemäß mit den eher dispositiven und verteilenden Aufgaben beschäftigt, wird sich der Trend zu serviceorientierten Architekturen (SOA) und zur Agententechnologie rasch und massiv auswirken. Hinzu kommt, dass Funktionen der Leitebene eher ein „weiches“ Echtzeit-Verhalten besitzen und bereits heute mit modernen Webtechnologien teilweise realisierbar sind – man denke beispielsweise an das Thema Bedienen & Beobachten oder den Bereich der Datenanalyse.

Grundsätzlich lassen sich Dienstleistungen aus der Cloud in drei Ebenen unterteilen:

1. Anwendungen als Service (Software as a Service – SaaS): Beispiele sind hier Google Apps und Microsoft Online Service. Für Aufgaben der Prozessleittechnik sind bisher kaum Anwendungen verfügbar.
2. Technische Frameworks als Service (Platform as a Service – PaaS): Die Google App Engine sowie der Microsoft Azur Service sind Beispiele hierfür. Auch im Bereich der M2M-Kommunikation – vorzugsweise für die Gebäudeautomation – finden sich bereits erste Beispiele, wie etwa iDigi. Die iDigi Device Cloud ist eine öffentliche Cloud-Plattform (PaaS), die eine hocheffektive Anwendungsintegration von Geräte-Netzwerken ermöglicht.
3. IT-Basis-Infrastruktur beziehungsweise Hardware-Komponenten als Service (Infrastructure as a Service – IaaS): Beispiele dazu finden sich bei Amazon EC2 sowie der MS Windows Azur Platform. Erste Anwendungen in der Automatisierungstechnik nutzen die MS Windows Azur Platform für die Datenauswertung eines Windparks mit Beckhoff-Steuerungen.

Ziel und Architektur des Projektes WOAS

Das Automatisierungssystem wird kostenfrei aus einer XML-Bauvorschrift (SK = Systemkern) im Webbrowser erzeugt und die Automatisierungsfunk­tionen (AF) werden als Automa­tisierungsdienste (AS) über eine WOAS-Cloud kostenpflichtig genutzt.

© FH Düsseldorf

Mit der WOAS-Architektur werden die Prinzipien und Methoden aus der standardisierten Welt der Internet-Technologien systematisch und strukturiert in die Welt der Industrieautomation übertragen. Ein WOAS besteht aus einem WOAS-Kernel sowie einer konfigurierbaren Anzahl weborientierter Automatisierungsdienste, die die erforderlichen Automatisierungsfunktionen realisieren. Als weitere Zielstellung sollen neue Geschäftsmodelle erforscht werden, die aufbauend auf der WOAS-Dienste-Struktur eine effiziente Nutzung von verteilten Automatisierungsfunktionen ermöglichen.

Zu den im Projekt angestrebten Eigenschaften eines WOAS gehören die Entwicklung eines dynamisch generierbaren Systemkerns als XML-Bauvorschrift für ein Automatisierungssystem mit wohldefinierten Schnittstellen, die Kombination von Cloud-Technologie mit SOA-basierten Automatisierungsdiensten sowie die Entwicklung eines Clearing-Systems zur Abrechnung feingranularer Dienste nach dem SaaS-Prinzip. Weitere Ziele sind die Integra­tion von MashUp-Technologien (Web
2.0) in eine hybride Servicestruktur (Verbindung einer serverbasierten mit einer weborientierten Struktur), die Untersuchung der Sicherheit von hybriden Cloud-Lösungen (Public Cloud/Privat Cloud) zum Rechteabgleich, zur Autorisierung und zum Zugriffsschutz. Nicht zuletzt geht es im Projekt um die Anbindung marktüblicher Feldsysteme über Standardprotokolle (OPC DA, OPC UA, Modbus ohne integrierten Webservice) und die Nutzung von Automatisierungsdiensten unterschiedlicher Anbieter in einem WOAS durch offene Schnittstellen.

Nach einer ausführlichen Analyse des Standes der Technik erfolgte in den Monaten seit Projektstart der Entwurf eines WOAS-Basismodells als Grundlage für die nachfolgende Spezifizierung der einzelnen WOAS-Elemente (WOAS-Kern, virtuelle Geräte, Dienste u.a.). Wichtigster Teil ist dabei der WOAS-Kern, der die Voraussetzung schafft, herstellerunabhängig unterschiedliche Automatisierungsfunktionen als Dienste zusammen mit unterschiedlichen Automatisierungsgeräten (Feldsystem) verteilt im Netz in einheitlicher Art und Weise verbinden zu können.

Die Komponentenstruktur des WOAS-Kerns

© FH Düsseldorf

Ein WOAS-Kern besteht im Wesentlichen aus folgenden Komponenten:

• 1 ... N virtuellen Geräten (Virtual Device – VD),
• einem WOAS-Distributor und
• 1 ... M WOAD-Stubs (WOAD – Weborientierter Automatisierungsdienst).

Über die VD erfolgt die einheitliche Abbildung (Mapping) der jeweiligen Automatisierungsgeräte auf die WOAS-Webseiten. Die WOAS-Stubs schaffen gegenüber dem Kern ein einheitliches Interface zu unterschiedlichen Diensten; über den WOAS-Distributor erfolgt die Verbindung der Geräte-Prozessdaten mit den erforderlichen E/A-Daten der WOAD.

Ein anwenderspezifisches WOAS – zum Beispiel die Bedienung/Visualisierung einer Anlage – wird im WOAS-Cloud-Portal mittels eines WOAS-Creators mit den verfügbaren Geräten und Diensten über das Web parametriert und ist dann von jedem Webbrowser aus (auch mobil) nutzbar. Automatisierungsdienste (WOAD) wie Trendanalysen, Alarmmanagement oder Messwertverarbeitung können durch Drittanbieter unter Nutzung der definierten WOAS-Dienste-Schnittstelle kostenpflichtig über das WOAS-Cloud-Portal integriert und angeboten werden.

Aktuell wurde ein erster Demonstrator mit eingeschränkter Funktionalität implementiert, der die Grundprinzipien eines WOAS und dessen Potenziale verdeutlicht. Der Demonstrator betreibt als WOAS eine Bearbeitungs- und Prüfstation von Festo Didactic und nutzt als Automatisierungsdienste einen Dienst für die Bedienung/Visualisierung sowie einen Dienst zur Echtzeit-Trenddarstellung. Die Station wird durch zwei unterschiedliche Steuerungen (SPS von Phoenix Contact und Web-IO von Wiesemann&Theis) betrieben, die über jeweils ein VD mit Zugriff auf OPC DA über ein Websocket-Relay mit der WOAS-Cloud verbunden sind. Als WOAS-Dienstserver (WOAD-Server) kommt eine Hutschienen-montierbare pure.box von Wiesemann&Theis zum Einsatz. Die softwaretechnische Realisierung der Testimplementation schließlich basiert auf HTML5, CSS3, JavaScript und einer mySQL-Datenbank.

Autor: Prof. Dr. Reinhard Langmann leitet das Competence Center Automation Düsseldorf (CCAD) der FH Düsseldorf.

Der Autor auf dem SPS IPC Drives Kongress

Vertiefende Informationen zum Thema liefert der Autor des Fachartikels, PRof. Dr. Reinhard Langmann, im Rahmen des begleitenden Kongresses zur Fachmesse SPS IPC Drives (27. bis 29. November) in Nürnberg. Der Vortrag ist Teil der Session 'Innovative Ansätze in der Automation' und findet am ersten Messetag um 10 Uhr statt. Das vollständige Kongressprogramm steht auf der Website www.mesago.de/sps zum Download zur Verfügung.