Time-Constrained Web Services for Industrial Automation

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.