Intelligente Agenten als Kommunikator zwischen
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ifm datalink gmbh, 90763 Fürth, Benno-Strauß-Str. 1 Whitepaper Intelligente Agenten als Kommunikator zwischen den Welten Die Idee der weltweiten, intelligenten Vernetzung ist gelebte Praxis; E-Mails und Web-Dienste ermöglichen den raschen Datenaustausch im World Wide Web. Die neue Generation der Cyber-Physischen Systeme wird die Produktionswelt verändern. Unter dem Arbeitstitel „Industrie 4.0“ wird sich die Kommunikation von der übergeordneten Software auch auf eigene, embedded (eingebettete) Intelligenz einzelner Komponenten verlagern. Flexible, intelligente Schnittstellenkommunikatoren kommen hier zum Einsatz. Mit dem heutigen Stand der Technik ist die Online-Überwachung und Steuerung von Prozessen, Maschinen und Sensoriken möglich. Im Fertigungsumfeld begegnet man einer Vielzahl an Steuerungsschnittstellen unterschiedlicher Funktionsweise. Als Steuergeräte fungieren Computer, die ihre Aufgabe als Controller, als speicherprogrammierbare Steuerung (SPS) oder als Industrie-PC (IPC) wahrnehmen. Eine Rückwärtskompatibilität der Informationen funktioniert lediglich in Kombination mit entsprechender Software. Diese muss in der Lage sein die unterschiedlichsten Sprachen der Steuerungen zu verstehen, in verwertbare Datenprotokolle zu übersetzen, den Handshake zu übernehmen. Was ist ein Agent? Ein Agent ist ein autonomes System, das eigenständig agiert um ein vorgegebenes Ziel zu erreichen. Allgemein betrachtet dienen Agenten als Schnittstelle zwischen unterschiedlichen Datenverarbeitungssystemen. Konkretes Einsatzgebiet ist die automatisierte Produktion. Maschinen erzeugen Produktionsdaten, die ausgewertet, überwacht und archiviert werden müssen und sie fordern Auskünfte und Parameter an, anhand derer die Maschinen sich konfigurieren und steuern lassen. Dazu müssen kontinuierlich Produktionsdaten, von der Maschine in die Produktionsdatenbank transferiert werden und auf Anfrage der Maschine hin, Daten aus der Produktionsdatenbank an die Maschine weitergeleitet werden. Die Aufgabe des Agenten liegt in der Schaffung einer Schnittstelle Maschine Produktionsdatenbank, ohne die ein solcher Datenaustausch nicht möglich wäre. Seite 1 von 10 ifm datalink gmbh, 90763 Fürth, Benno-Strauß-Str. 1 Datenverarbeitungssystem z.B. Maschine Datenverarbeitungssystem z.B. Produktionsdatenbank AGENT Schnittstelle Schnittstelle Abbildung 1-1 Agent, abstrakte Betrachtung Hostsystem Beim Agenten handelt es sich um Software, die auf einem Hostsystem läuft. Das Hostsystem kann ein beliebiger Rechner sein, z.B. der Steuerrechner einer Maschine, ein dedizierter Rechner, der der Maschine beigestellt wird oder ein bereits vorhandener Rechner der mitbenutzt wird, (z.B. ein Linienserver). AGENT AGENT Maschine ... Maschine Dedizierter Rechner Maschine Netzwerk ... AGENT Datenbank Application Server Diagnose Software Abbildung 1-2 Agent Hostsysteme Seite 2 von 10 ifm datalink gmbh, 90763 Fürth, Benno-Strauß-Str. 1 Auswahl des Hostsystems Bei der Auswahl des Hostsystems sind verschiedene Gesichtspunkte zu berücksichtigen. Anforderungen, Aufwand und Risiken sind direkt miteinander verbunden. Eine generelle Empfehlung für eine der Varianten kann nicht gegeben werden. Stattdessen ist individuell zu prüfen, welche Variante die Sinnvollste für die gegebene Aufgabenstellung ist. Die nachfolgende Übersicht soll dabei Hilfestellung leisten. Maschine Steuerrechner Dedizierter Rechner Remote Hostsystem + Keine zusätzlichen Kosten für Hardware + Systemumgebung des Maschinenrechners muss nicht an die Systemanforderungen des Agenten angepasst werden + Systemumgebung des Maschinenrechners muss nicht an die Systemanforderungen des Agenten angepasst werden + Bekannte und getestete Umgebung, keine Probleme mit Installation und Betrieb (plug and play) + Keine zusätzlichen Kosten für Hardware - - + Direkter Zugriff auf die Outputdaten der Maschine (u.U. die einzige Möglichkeit auf die Daten zuzugreifen) ohne Verzögerungen durch Netzwerk oder Bussystem. - Systemvoraussetzungen des Transfer Agenten erfordern evtl. die Installation von Software, Treiber und Diensten auf einem Fremdsystem Zusatzkosten für Hardware, Wartung + Agenten können zentral konfiguriert werden, kein physischer Zugriff auf jede einzelne Maschine notwendig Systemvoraussetzungen des Agenten erfordern evtl. die Installation von Software, Treiber und Diensten auf einem Fremdsystem Seite 3 von 10 ifm datalink gmbh, 90763 Fürth, Benno-Strauß-Str. 1 Interne Datenverarbeitung Der Agent sollte Daten in vier modularen Schritten verarbeiten, siehe Abbildung 0-1. Empfang en Selektier en Datenquelle Transfor mieren AGENT Senden Ziel Abbildung 0-1 Datenverarbeitung • Daten empfangen Über eine konfigurierte Schnittstelle des Agenten gelangen Rohdaten von einer Datenquelle in den Agenten. • Daten selektieren Der Agent extrahiert Daten aus den Rohdaten. Dazu müssen das Datenformat und die zu extrahierenden Datenfelder konfiguriert werden. • Daten transformieren Der Agent formatiert die zu sendenden Daten, z.B. erstellt er SQL Statements um Daten in die Tabellen und Felder eines Datenbankmodells zu übertragen. Dazu müssen das Datenformat und die durchzuführenden Formatierungen konfiguriert werden. • Daten senden Daten werden über eine konfigurierte Schnittstelle des Agenten an ein Ziel gesendet. Seite 4 von 10 ifm datalink gmbh, 90763 Fürth, Benno-Strauß-Str. 1 Der modulare Aufbau eines Agenten erlaubt die logische Aufsplittung der Datenverarbeitung in zwei separate, asynchrone Abläufe, siehe Abbildung 0-2. Die Daten werden zunächst von der Datenquelle empfangen. Zur Verringerung des Datenvolumens werden aus den empfangenen Rohdaten die relevanten Daten selektiert. Die verbliebenen relevanten Daten werden an einen Zwischenspeicher (z.B. Datei, Datenbank) übertragen. Asynchron und unabhängig davon werden fortlaufend neue Daten aus dem Zwischenspeicher ausgelesen, für das Zieldatenmodell passend formatiert und abschließend an das Ziel übertragen. Die beiden Abläufe werden jeweils von Teilmodulen der Agent-Software realisiert. Empfang en Datenquelle Selektier en AGENT Empfang en Senden Zwischenspeicher Transfor mieren Senden AGENT Ziel Abbildung 0-2 Logische Aufsplittung der internen Datenverarbeitungsschritte Die logische Aufsplittung der Agenten Module eröffnet die notwendige Flexibilität um unterschiedlichen Anforderungen an den Datentransfer gerecht zu werden, wie der folgende Abschnitt zeigen wird. Datentransfer und Einsatzszenarien An den Agenten werden je nach Aufgabenstellung unterschiedliche Anforderungen an den Datentransfer gestellt, z.B. im Hinblick auf Performance, Datenvolumen, bidirektionale Datenübertragung und Datensynchronität. Dies hat direkte Konsequenzen für die möglichen Einsatzszenarien des Agenten. Der Agent soll so eingesetzt werden, dass die anzubindenden Maschinen möglichst wenig beeinflusst werden. Insbesondere sind Nachteile wie Einspielen neuer Versionen oder Updates auf den Maschinenrechnern (never change a running system) Administrations- und Wartungsarbeiten an den Maschinenrechnern Erhöhte Ressourcenbelastung von Maschinenrechnern auf ein Minimum zu reduzieren. Das Ziel ist, die Aufgaben „Daten von der Maschine holen“ „Daten selektieren“ „Daten transformieren“ „Daten in die Produktionsdatenbank importieren“ optimal auf die vorhandene Rechnerstruktur zu verteilen. Seite 5 von 10 ifm datalink gmbh, 90763 Fürth, Benno-Strauß-Str. 1 Nachfolgend werden mögliche Einsatzszenarien und die daraus resultierenden Vorund Nachteile erläutert. Direkter Datentransfer von der Maschine zur Produktionsdatenbank Beim direkten Datentransfer von der Maschine zur Produktionsdatenbank greift der Agent direkt auf die Produktionsdatenbank zu. Der Datentransfer erfolgt in einer Transaktion, siehe Abbildung 0-3. Empfang en Selektier en Transfor mieren Senden AGENT Maschine Produktionsdatenbank Abbildung 0-3 Direkter Datentransfer, Maschine –> Produktionsdatenbank Der Datentransfer von der Produktionsdatenbank zur Maschine erfolgt ebenfalls in einer Transaktion, indem der Agent direkt auf die Produktionsdatenbank zugreift, siehe Abbildung 0-4. Senden Formatier en Selektier en Empfang en AGENT Maschine Produktionsdatenbank Abbildung 0-4 Direkter Datentransfer, Produktionsdatenbank –> Maschine Seite 6 von 10 ifm datalink gmbh, 90763 Fürth, Benno-Strauß-Str. 1 Vorteile Nachteile + Datensynchronität, d.h. Datenbank- anfragen der Maschinen können sich darauf verlassen, dass sämtliche relevanten Produktionsdaten vorliegen + Höchstmögliche Performance des Datentransfers (der direkte Weg ist der kürzeste) - Starre Kopplung von Maschine und Produktionsdatenbank Das Hostsystem des Agenten trägt die volle Last des Datentransfers. (Handelt es sich beim Hostsystem noch dazu um den Maschinenrechner, so ist dessen Leistungsfähigkeit nachträglich kaum oder gar nicht änderbar. Dadurch Verlust der Performance-Skalierbarkeit) Alle Agenten benötigen Kenntnisse über das Datenmodell der Produktionsdatenbank. Dies ist gleichbedeutend mit erhöhtem Konfigurationsaufwand sowohl bei der Erstinstallation als auch bei nachträglichen Änderungen und Erweiterungen des Datenmodells. Indirekter Datentransfer von der Maschine zur Produktionsdatenbank Beim indirekten Datentransfer von der Maschine zur Produktionsdatenbank erfolgt der Datentransfer in zwei Schritten. Im ersten Schritt werden Daten von der Maschine empfangen, selektiert und in eine Transferdatenbank geschrieben. Im zweiten Schritt werden Daten aus der Transferdatenbank in die Produktionsdatenbank übertragen. Die beiden Schritte sind voneinander entkoppelt, siehe Abbildung 0-5. Empfang en Selektier en Empfang en Senden AGENT Maschine Transfor mieren Senden AGENT Transferdatenbank Produktionsdatenbank Abbildung 0-5 Indirekter Datentransfer, Maschine –> Produktionsdatenbank Seite 7 von 10 ifm datalink gmbh, 90763 Fürth, Benno-Strauß-Str. 1 Der Datentransfer von der Produktionsdatenbank zur Maschine erfolgt unter Umgehung der Transferdatenbank in einer Transaktion indem der Agent direkt auf die Produktionsdatenbank zugreift, siehe Abbildung 0-6. Senden Formatier en Selektier en Empfang en AGENT Maschine Produktionsdatenbank Abbildung 0-6 Direkter Datentransfer, Produktionsdatenbank –> Maschine Vorteile Nachteile + Saubere logische Entkopplung von Maschinenzugriff und Zugriff auf das Produktions Datenmodell, beim Übertragen von Daten in die Produktionsdatenbank + Transformation und Import in die Produktionsdatenbank können auf den am besten geeigneten Rechner verlagert werden (Performance, Plattenkapazität). Im einfachsten Fall werden vom Maschinenrechner lediglich Textdateien weitergeleitet. Der aufwendigere Prozess des Transformierens und Einspielens in die Produktionsdatenbank findet auf einem Hostsystem mit skalierbarer Leistung statt Datensynchronität kann nicht garantiert werden, d.h. Datenbankanfragen der Maschinen können sich nicht darauf verlassen, dass sämtliche relevanten Produktionsdaten bereits vorliegen Das Hostsystem, das den Datenimport aus der Transferdatenbank in die Produktionsdatenbank leistet, wird stark belastet, da die Daten aller Maschinen zentral erfasst und weitergeleitet werden müssen an der + Änderungen Produktionsdatenbank bzw. dem Datenmodell führen nicht automatisch zu Software Einspielungen auf dem Maschinenrechner Seite 8 von 10 ifm datalink gmbh, 90763 Fürth, Benno-Strauß-Str. 1 Anforderungen und Voraussetzungen Folgende Anforderungen und Voraussetzungen werden an den Agenten gestellt: Funktionalität • Umfangreiches Repertoire an Schnittstellen Formaten und Protokollen • Unterstützung von Industrienormen zur Anlageneffektivität, bspw. SEMI E10, VDI 3423, IPC. Ziel ist die einfache und schnelle Konfigurierbarkeit des Agenten mithilfe vorgefertigter Maschinen- und Datenbanktemplates • Konfiguration soll ohne Programmierkenntnisse möglich sein • Datenpufferung in einem Pufferspeicher bei Zielverbindungen, zur Vermeidung von Datenverlust • Performance Profiling um die Leistungsfähigkeit des Systems bestimmen und Bottlenecks erkennen zu können • Konfigurierbare Alarme, die bspw. ausgelöst werden wenn Zielverbindungen unterbrochen sind • Logging von Datentransfers, Fehlern, Warnungen, Hinweisen etc. einem Ausfall der Aufbau • Flexible Konfiguration der Schnittstellen. Neue Schnittstellentypen und Datenformate müssen modular erweiterbar und flexibel parametrierbar sein • Eventgesteuerte Datenverarbeitung für minimale Belastung des Hostsystems und schnellstmögliche Verarbeitung neuer Daten • Multithreading zur Vermeidung von Datenverlust wenn Daten temporär nicht schnell genug verarbeitet werden können und zur besseren Auslastung von Multi CPU Systemen • Modularer Aufbau um die Applikation flexibel erweitern zu können Seite 9 von 10 ifm datalink gmbh, 90763 Fürth, Benno-Strauß-Str. 1 Embedded Agenten Ein embedded Agent ist ein Agent, der auf embedded Systemen lauffähig ist. Wie auch der „normale“ Agent ist der Embedded Agent in der Lage Daten eines Automatisierungssystems mit verschiedenen Maschinen- und Steuerungssprachen in ein einheitliches Format zu übersetzen und an ein Zielsystem zu überstellen. Vorteile des Embedded Agenten gegenüber dem normalen Agenten sind hauptsächlich Einsparungen durch weniger Hardwareanschaffungen. Normalerweise wird ein Windows-PC für die Ausführung des Agenten benötigt. Läuft er allerdings direkt auf den embedded Systemen der Automatisierungssysteme, fällt diese Notwendigkeit weg und die Daten können über die Kommunikationskanäle an einigen wenigen Punkten an die Diagnose Software übergeben werden. Zentrale Aspekte • • Plattformunabhängige Programmierung Mögliche Einsatzsysteme o Steuerungen o Feldbusmaster o Feldbusmodule o Intelligente Sensoren Zukünftige Produktionen und herzustellende Produkte können mit ihren ureigenen Fertigungsparametern und prozesssteuernden Elementen gekennzeichnet werden. Die Integration von Agenten und embedded Agenten eröffnet neue Perspektiven für den Fertigungsprozess, wie zum Beispiel, Komponenten mit vorinstallierten Agenten müssen nicht konfiguriert sondern nur parametriert werden. Die Vernetzung ist somit ein Teilprozess des Einbaus und bietet neue Einsatzgebiete. Durchgängige Transparenz und Kommunikation aller im Prozess beteiligten Einheiten. Kontakt zu ifm datalink: ifm datalink gmbh Benno-Strauß-Str. 1 90763 Fürth 0911/99 86 88 - 0 [email protected] www.ifm-datalink.com Seite 10 von 10
