Publikationsserver der Universitätsbibliothek Marburg

Titel:Time-Constrained Web Services for Industrial Automation
Autor:Mathes, Markus
Weitere Beteiligte: Freisleben, Bernd (Prof. Dr.)
Veröffentlicht:2009
URI:https://archiv.ub.uni-marburg.de/diss/z2009/0466
DOI: https://doi.org/10.17192/z2009.0466
URN: urn:nbn:de:hebis:04-z2009-04665
DDC: Informatik
Titel(trans.):Time-Constrained Web Services for Industrial Automation
Publikationsdatum:2009-10-09

Dokument

Schlagwörter:
Time-Constrained Services (TiCS), Automation, Industrial Automation, Real-time, Echtzeitverarbeitung, Web Services
Referenziert von:

Zusammenfassung:
Service-oriented architectures based on web services have become the de facto standard for the design and implementation of distributed applications. Due to their standardization, web services are widely adopted for inter-organizational communication, but their use for intra-organizational communication is challenging, especially within enterprises of the manufacturing domain. Business processes within an industrial enterprise have to satisfy predefined time constraints. More precisely, the manufacturing process has to guarantee real-time, i.e. predefined deadlines have to be kept. Todays industrial enterprises use specialized hard- and software at the manufacturing layer - industrial PCs (IPCs) and programmable logic controllers (PLCs) - that run under vendor-specific operating systems and are implemented using vendor-specific tools. This mixture of technologies of different vendors leads to numerous breaks in the communication paradigm. The interconnection of these technologies results in additional costs and is often quite error-prone. This thesis investigates the seamless use of web services as a homogeneous communication backbone throughout the overall industrial enterprise with a focus on the manufacturing layer. The common layered organization of an industrial enterprise - consisting of the business layer, the intermediate layer, and the manufacturing layer - is avoided by using web services as the communication backbone. The need for real-time makes the use of web services in industrial automation challenging. Web service standards (e.g. SOAP for the invocation and WSDL for the description of web services) and technologies (e.g. available SOAP engines) have emerged from the Internet domain where processing is based on a best-effort basis (time constraints are of little or no interest). The Time-Constrained Services (TiCS) framework presented in this thesis is a technical foundation for using web services in time-constrained environments with a specific focus on industrial automation. TiCS is a tool suite for the development, deployment, publication, composition, and execution of web services with time constraints, especially real-time constraints. TiCS consists of several components to ease the entire development process for automation engineers who are normally not familiar with web service technologies. The main components of the TiCS framework can be distinguished according to their functionality: - permit access to the manufacturing layer using web services - permit the composition of several web services to a value-added workflow that represents a production process - offer a mechanism to describe the time constraints of web services and workflows - permit the efficient transmission of binary web service parameters To access the manufacturing layer using web services, the TiCS framework offers a real-time SOAP engine for IPCs called SOAP4IPC and for PLCs called SOAP4PLC. Both engines permit an evolutionary change to a web service based communication backbone, since existing hardware can be used further. Most real-world production processes consist of several steps. Due to this reason, it is necessary to combine web services to a multi-step workflow. The TiCS Modeler supports an automation engineer to define such workflows with regard to the required time constraints. The WS-TemporalPolicy language permits the description of time constraints for web services and entire workflows. Since time constraints may vary over time, e.g. compare processing during peak time and off-peak time, WS-TemporalPolicy permits the definition of a validity period for time constraints. The protocol predominantly used for the invocation of web services is SOAP. Since SOAP is based on XML, it is necessary to encode binary parameters, resulting in a remarkable overhead. For an efficient parameter transmission - a fundamental prerequisite to process a web service within a given deadline - the TiCS framework contains a component called Flex-SwA. Despite the fact that the technologies developed in this thesis focus on industrial automation, they can also be used in related research areas where web services are used as the communication technology.

Summary:
Service-orientierte Architekturen basierend auf Web Services sind der de facto Standard zum Design und der Implementierung verteilter Anwendungen geworden. Aufgrund ihrer Standardisierung sind Web Services auch für die Kommunikation zwischen Unternehmen weit verbreitet. Der Einsatz von Web Services für die innerbetriebliche Kommunikation innerhalb eines Industrieunternehmens ist derzeit aber noch schwierig. Geschäftsprozesse in Industrieunternehmen müssen vordefinierte Zeitbedingungen einhalten. Genauer gesagt, muss der Fertigungsprozess Echtzeit garantieren, d.h. vordefinierte Fristen müssen eingehalten werden. Heutige Industrieunternehmen verwenden spezielle Hard- und Software auf der Fertigungsebene - Industrie-PCs (IPCs) und speicherprogrammierbare Steuerungen (SPSen) - welche unter herstellerspezifischen Betriebssystemen laufen und mit herstellerspezifischen Tools programmiert werden. Diese Vermischung von Technologien verschiedener Hersteller führt zu einer Vielzahl an Brüchen im Kommunikationsparadigma. Die Kopplung dieser Technologien resultiert in zusätzlichen Kosten und ist oft sehr fehleranfällig. Diese Doktorarbeit untersucht die durchgehende Verwendung von Web Services als homogenes Kommunikationssystem innerhalb des gesamten Industrieunternehmens. Der besondere Fokus liegt dabei auf der Fertigungsebene. Die klassische Organisation eines Industrieunternehmens in Geschäftsebene, Zwischenebene und Fertigungsebene wird durch den Einsatz von Web Services als durchgehendes Kommunikationssystem überflüssig. Der Einsatz von Web Services in der Industrieautomation ist jedoch aufgrund der Echtzeiterfordernisse schwierig. Web Service Standards (z.B. SOAP für den Aufruf und WSDL für die Beschreibung von Web Services) und Technologien (z.B. verfügbare SOAP Engines) wurden im Kontext des Internets entwickelt. Dort spielen Zeitanforderungen eine untergeordnete Rolle, da Anfragen nach dem best-effort Prinzip bearbeitet werden. Das Time-Constrained Services (TiCS) Framework, welches in dieser Doktorarbeit präsentiert wird, ist die technische Grundlage zur Verwendung von Web Services in Umgebungen mit Anforderungen an das Zeitverhalten. Der besondere Fokus liegt dabei auf der Industrieautomation. TiCS ist eine Entwicklungsumgebung für die Implementierung, das Deployment, die Veröffentlichung, die Komposition und die Ausführung von Web Services mit Zeitanforderungen, insbesondere Echtzeitanforderungen. TiCS besteht aus mehreren Komponenten, um den gesamten Entwicklungsprozess für Automatisierungsingenieure zu vereinfachen, da diese normalerweise nicht mit Web Services vertraut sind. Die Hauptkomponenten des TiCS Frameworks können nach ihrer Funktionalität unterschieden werden: - Zugriff auf die Fertigungsbene unter Verwendung von Web Services - Komposition von mehreren Web Services zu einem Workflow, der einen Produktionsprozess repräsentiert - Beschreibung der Zeitanforderungen von Web Services und Workflows - effiziente Übertragung von binären Web Service Parametern Zum Zugriff auf die Fertigungsebene unter Verwendung von Web Services bietet das TiCS Framework eine echtzeitfähige SOAP Engine für IPCs - SOAP4IPC - und für SPSen - SOAP4PLC. Beide Engines erlauben einen evolutionären Wechsel zu einem Web Service basierten Kommunikationssystem, da existierende Hardware weiterhin benutzt werden kann. Viele realistische Produktionsprozesse bestehen aus mehreren Schritten. Aus diesem Grund ist es notwendig, mehrere Web Services zu einem Workflow zu kombinieren. Der TiCS Modeler unterstützt einen Automatisierungsingenieur bei der Definition solcher Workflows unter Beachtung der Zeitanforderungen. WS-TemporalPolicy ermöglicht die Beschreibung der Zeitschranken von Web Services und kompletten Workflows. Da Zeitschranken variieren können, z.B. zwischen Stoß- und Nebenzeiten, ermöglicht WS-TemporalPolicy die Definition einer Gültigkeitsdauer für Zeitschranken. Das überwiegend benutzte Protokoll zum Aufruf von Web Services ist SOAP. Da SOAP auf XML basiert, ist es notwendig, binäre Parameter zu kodieren. Dies führt zu einem beachtlichen Overhead. Für eine effiziente Übertragung von Parametern - eine grundlegende Voraussetzung um einen Web Service innerhalb einer gegebenen Frist zu verarbeiten - enthält das TiCS Framework die Flex-SwA Komponente. Trotz der Tatsache, dass die Technologien, die in dieser Doktorarbeit entwickelt wurden, den Fokus auf Industrieautomation legen, können sie in angrenzenden Forschungsgebieten, die ebenfalls Web Services zur Kommunikation verwenden, genutzt werden.


* Das Dokument ist im Internet frei zugänglich - Hinweise zu den Nutzungsrechten