Vor-Ort-Rechenleistung für das IoT Modulare Fog Server mit Echtzeit

Im IoT-Jargon "Fog Server sind Daten, die in Clouds verarbeitet werden.
Im IoT-Jargon "Fog Server sind Daten die in Clouds verarbeitet werden.

Nicht alle Daten, die Maschinen produzieren, können und sollen in Clouds verarbeitet werden. Datenhaltung und -verarbeitung vor Ort auf Geräten, die im IoT-Jargon „Fog Server“ genannt werden, ermöglicht harte Echtzeit und hat den Vorteil, dass man jederzeit weiß, wo sich die Daten befinden.

Roboter, Maschinen und Fertigungszellen, die in Industrie-4.0-Applikationen eingebunden werden, haben einen immensen Kommunikationsbedarf – sowohl horizontal als auch vertikal. Horizontal müssen andere Maschinen, Sensoren, Fördertechnik oder Bildverarbeitungssysteme angebunden werden und zunehmend eine Einheit bilden. Die auf Losgröße Eins getrimmte automatisierte Fertigung muss zudem vertikal mit den höheren Ebenen der Fabrik, z.B. der Leitebene, vernetzt werden, um konstant überwacht werden zu können. Weitere IoT-Dienste wie „Big Data Analytics“ und „Predictive Maintenance“ oder einfach nur der Zugang zur digitalen Bedienungsanleitung und zum Helpdesk – der genau zur Maschine passt – werden direkt mit integriert. Zugriff erhält jeder, der es braucht – in angepasster Form und bedarfsgerecht auch über Clouds und Smartphone-Apps. Die in das Gesamtsystem zu integrierenden Dittanbieter erhalten selbstverständlich spezifische Schnittstellen zur Industrie-4.0-Vernetzung. Und nicht zu vergessen: Selbstverständlich bleibt auch die originäre Steuerungsaufgabe der einzelnen Industrie-4.0-Komponenten weiterhin wesentlicher Bestandteil der Lösung und damit eine wichtige Kommunikationsaufgabe.

Was sind Fog Server?

Echtzeitfähige Fog Server sollen der Dreh- und Angelpunkt solcher vernetzter IoT- und Industrie-4.0-Applikationen werden (Bild 1). Sie sind ähnlich ausgelegt wie Cloud Server, im Gegensatz zu diesen aber nicht „irgendwo“ im Netz positioniert, sondern direkt in der Fertigung und müssen in Echtzeit kommunizieren können.

 

 

Sie enthalten außerdem alles, was vor Ort benötigt wird: Die Steuerung, die Verbindung zu anderen Maschinen und mit der zwischengeschalteten Fördertechnik, sie halten die anfallenden Maschinendaten vor und betreiben viele weitere Services auf Cloud-Basis – bis hin zur Schnittstelle für Software Upgrades. Sie bilden dadurch auch die Brücke zwischen den Maschinen und der Business-IT und sind damit die wesentlichen Befähiger einer vertikalen Integration – sofern dieses Bild in einer rundum IoT-vernetzten Welt überhaupt noch statthaft ist. Denn auch das GUI der Maschine lässt sich über Thin Clients an den Fog Server anbinden und kann damit an der Maschine selbst residieren sowie auch für weitere Anwender an ganz anderen Orten freigegeben sein. Was „oben“ und „unten“ ist oder ob eine Funktion remote oder lokal ausgelegt ist, ist also nicht immer eindeutig definiert. Das macht aber auch den Charme von umfassend vernetzten Industrie-4.0-Applikationen aus.

Um alle Aufgaben konsolidiert auf einem echtzeitfähigen Fog Server bereitstellen zu können, braucht man insbesondere einen echtzeitfähigen Hypervisor, der über Virtualisierung alle unterschiedlichen Aufgaben auf einem einzigen Embedded Server sicher voneinander trennt und der jeder einzelnen Komponente des Ökosystems ihre eigenen dedizierten Ressourcen zuweisen kann. Zudem ist eine Synchronisation der virtualisierten Teilsysteme in Echtzeit erforderlich. Das setzt heute in den meisten Industrie-4.0-Applikationen eine Echtzeitkommunikation über Ethernet voraus.

Mehrere Betriebssysteme, strikt getrennt

Der insbesondere in der industriellen Automatisierung weit verbreitete Real-Time Hypervisor der Real-Time Systems GmbH (RTS) liefert hierfür alle erforderlichen Grundlagen, die man zur Entwicklung solcher echtzeitfähigen Fog Server braucht, die die Echtzeit-Steuerungsinfrastruktur nahtlos mit Cloud Services verbinden. Er ist aktuell in der Version R4.6 verfügbar und kann auf x86-Systemen unterschiedlicher Leistungsklassen betrieben werden: vom Intel-Atom-Prozessor bis hin zum Intel Xeon. Unterstützt werden derzeit alle Prozessorgenerationen, einschließlich der sechsten Generation der Intel-Core-Serie (Codename Skylake). Auch die siebte Generation, die Anfang Januar gelauncht wurde, wird in Kürze unterstützt.

Der RTS Real-Time Hypervisor ermöglicht den gleichzeitigen Betrieb mehrerer Echtzeitbetriebssysteme, wie z.B. Wind River VxWorks, QNX Neutrino RTOS, Microware OS-9, On Time RTOS-32 sowie T-Kernel oder Windows Embedded Compact (Bild 2). Möglich ist natürlich auch ein Mischbetrieb aus Echtzeit- und klassischen Multi-Purpose-Betriebssystemen wie Windows inklusive Windows 10 IoT und Linux RedHawk auf nur einem x86-Multicore-Prozessor. Alle virtualisierten (Echtzeit-)Systeme laufen hierbei getrennt und können sogar neu gebootet werden, ohne sich gegenseitig zu beeinflussen oder den Betrieb der anderen zu stören. Eine Partition könnte beispielsweise mit einem speziell für Sicherheitsaufgaben ausgelegten Linux als Firewall implementiert werden, um zusätzliche Sicherheit zu schaffen und damit nicht nur die Hardware konsolidieren, sondern auch ein komplettes und vor allem auch sicheres Subsystem zur IoT-Anbindung zu erhalten.
Die Echtzeitkommunikation zwischen den einzelnen virtuellen Maschinen erfolgt über ein virtuelles Netzwerk, das vom RTS Hypervisor bereitgestellt wird, oder für geringste Latenzen durch Shared Memory. Für diesen gemeinsamen Speicherbereich lassen sich auch individuelle Schreib- und Leserechte vergeben, sodass nur berechtigte Betriebssystem-Partitionen Zugriff erhalten, was die Sicherheit erhöht.

Der RTS Hypervisor verfügt über eine besondere Speicherverwaltung, die das freie Verschieben von Echtzeit-Betriebssystemen im Speicher ohne Auswirkung auf die Performance erlaubt. Mittels Hardware-basierter Virtualisierungstechnologie bietet sie Anwendern nun auch die Möglichkeit, Gastbetriebssysteme frei im Speicher zu verschieben. Dies bedeutet auch, dass z.B. ein 32-bit-Betriebssystem im Speicher jenseits der theoretisch adressierbaren Grenze von 4 GB ausgeführt werden kann oder dass mehrere Instanzen von Betriebssystemen, die für dieselbe physikalische Adresse gelinkt wurden, gleichzeitig parallel und deterministisch in harter Echtzeit auf demselben System betrieben werden können.

Zusammen mit den Sicherheitsfunktionen im RTS Hypervisor – wie dem Rechtemanagement für Programmierschnittstellen (API) zum Starten, Stoppen oder Überwachen einzelner Betriebssysteme – ist er nicht nur die perfekte Plattform für echtzeitfähige Industrie-4.0-Fog-Server, sondern für alle Embedded-Anwendungen, bei denen Determinismus, harte Echtzeit und/oder Sicherheit eine wichtige Rolle spielen.

Paart man solche echtzeitfähige Hypervisor-Technologie für Fog Server mit Echtzeit-Kommunikationsprotokollen wie DDS oder auch OPC UA und einem deterministischen Ethernet mit zeitsensitivem Networking (TSN), können Anwender und Fog Server weiterer Maschinen jederzeit Zugriff auf aktuellste Maschinendaten erlangen. Und dies in einem Umfang und einer Geschwindigkeit, wie es bisher noch nicht möglich war. Zudem bietet RTS auch einen Off-the-Shelf Master/Slave Software Stack für Windows an, der konform zur Spezifikation IEEE 1588 des Precision Time Protocol entwickelt wurde. Möglich wird so eine hochgenaue Synchronisation von verteilten Geräten über Ethernet mit einem Fog Server. Der maximale Jitter bei Standard-Intel-Netzwerkcontrollern liegt dabei im präzisen Nanosekundenbereich. Entwicklern stehen solche Technologien seit gut einem Jahr als passende Software- und Prozessorbasis zur Verfügung.