FDT + EDD + OPC UA = FDD UA? Die Gleichung für eine einheitliche Gerätebeschreibung?

Geräteintegration bedeutet, Informationen und Funktionen von Geräten automatisierungstechnischer Systeme für deren Bedienung und Nutzung zentral verfügbar zu machen. In diesem Gebiet haben sich zwei Technologien etabliert: Field Device Tool (FDT) und Electronic Device Description Language (EDDL). Beide Technologien haben ihre Vorzüge, aber auch Nachteile. Die FDT-Technologie ermöglicht dem Gerätehersteller, selbst erstellte Bedienprogramme, sogenannte Device Type Manager (DTM), in das System einzubinden. Die Programmierung lässt dem Gerätehersteller dabei alle Freiheiten, was den Funktionsumfang der Bedienung betrifft. Das Hauptproblem der FDT-Technologie ist neben Kompatibilitätsproblemen die enge Bindung der vom Gerätehersteller gelieferten DTMs an die Microsoft Windows Plattform und die damit einhergehende Abhängigkeit. Die EDDL-Technologie definiert hingegen eine eigene Sprache, mit der die Gerätehersteller textbasierte Beschreibungen (EDD) ihrer Geräte erstellen können, die dann von einem spezifischen Interpreter verarbeitet werden. Deshalb ist zwar der Interpreter betriebssystemabhängig, die EDD hingegen ist unabhängig von Betriebssystem-Plattformen und durch den vorgegebenen Sprachumfang einfach anzuwenden. Nachteilig ist aber der dadurch eingeschränkte Funktionsumfang. Aktuelle Aktivitäten schaffen immer neue Erweiterungen, vor allem für die Beschreibung von User Interfaces, erhöhen damit aber auch beträchtlich die Komplexität der Sprache und der EDDs. Aus Sicht der Leitsystemhersteller, Gerätehersteller und Endkunden ergeben sich hier folgende Anforderungen: Leitsystemhersteller streben eine hohe Robustheit des Systems an und wollen gleichzeitig Technologieabhängigkeiten bei der Geräteintegration vermeiden. Gerätehersteller wollen zum einen aus Aufwandsgründen ungern zwei Technologien unterstützen, zum anderen wollen sie aber natürlich die optimalen Bedienmöglichkeiten für ihre Geräte sicherstellen. Aus Sicht der Endkunden besteht hingegen eine Abneigung, sich für eine der beiden Technologien zu entscheiden. Sie würden ganz im Gegenteil gerne die Vorteile beider Technologien nutzen, aber nur in einer einzigen Lösung. Neue Impulse durch OPC Unified Architecture Im Juli 2006 hat die OPC Foundation die ersten Spezifikationen der neuen OPC Unified Architecture (UA) freigegeben. Bei OPC UA wurde durch den Einsatz von standardisierten Webtechnologien auf Plattformunabhängigkeit geachtet. Neben der Integration der bis dahin eigenständigen Dienste wie z.B. Data Access, Alarms & Events, Commands etc. in ein durchgängiges Objektmodell ist eine der bemerkenswertesten Neuerungen die Möglichkeit, sogenannte Informationsmodelle zu spezifizieren. Ein Informationsmodell legt fest, wie Daten im Sinne von Struktur und Semantik im Adressraum eines OPC UA Servers repräsentiert werden. Sowohl für EDDL als auch für FDT ist OPC UA eine optimale Technologie, um Gerätedaten in einer Client-Server-Architektur zur Verfügung zu stellen. Aus diesem Grund wurde die OPC Foundation in das EDDL Cooperation Team (ECT) einbezogen. Auch die FDT-Group plant den Einsatz von OPC UA. Vor dem Hintergrund dieser Bestrebungen hat der Lehrstuhl für Informationstechnik im Maschinenwesen (itm, Prof. Bender) ein integrierendes Konzept erarbeitet, das auf der Basis von OPC UA die beiden Technologien EDDL und FDT zusammenführt. Das Konzept sieht vor, deren Vorteile zu erhalten, gleichzeitig aber die Nachteile zu vermeiden – mit dem Ziel, das Beste beider Technologien in eine durchgängige Client-Server-Architektur zu integrieren. Lösungskonzept Zur Definition einer solchen Client-Server-Architektur wurde zunächst anhand von verschiedenen Beispielen die Gerätebedienung analysiert und ein entsprechendes Geräte-Bedienmodell abgeleitet. Das aus vier Schichten bestehende Modell hilft, die zur Gerätebedienung nötige Funktionalität in einer Funktionshierarchie zu strukturieren und erlaubt eine sehr gut begründete Aufteilung der Funktionen im Rahmen einer Client-Server-Architektur. Die vier Schichten sind im Einzelnen (Bild 2): – Data-Model: Hier werden die Daten, die vom Gerät zu Engineering-Zwecken veröffentlicht werden, abgebildet. Dies umfasst auch Metainformation wie z.B. Einheit, Wertebereich oder Grenzen. – State-Model: Die Aufgabe dieser Schicht ist es, Abhängigkeiten zwischen den Elementen des Data-Models und des Gerätezustandes abzubilden, um die Konsistenz sicher zu stellen. Diese beiden Schichten werden zum Device Information Model (DIM) zusammengefasst und beschreiben im Wesentlichen die Datenschnittstelle des Gerätes bezüglich Struktur und Verhalten. Die weiteren Schichten sind: – Advanced User Functions: Hier sind höherwertige Benutzerunterstützungs-Funktionen wie z.B. automatische Berechnung von Linearisierungstabellen aus 3D-Tankgeometrien untergebracht. – Graphical User Interface (GUI): Das GUI bildet die Schnittstelle zum Benutzer. Hierüber bedient der Benutzer das Gerät. Die beiden oberen Schichten bilden ebenfalls eine Einheit und werden zum Device Operation Model (DOM) zusammengefasst. Verglichen mit der Gerätefirmware lässt sich feststellen, dass das DIM eine 1-zu-1-Abbildung der von der Firmware zu Bedienzwecken veröffentlichten Gerätedaten ist. Das DOM hingegen greift auf die Datenelemente des DIM für einen jeweiligen Bedienzweck zu, so dass hier je nach Aufgabe oder Bedienerrolle verschiedene DOMs existieren können, die alle auf ein und dasselbe DIM aufbauen (n-zu-1). Auf der Basis dieses Modells wurde dann ein Konzept für eine Client-Server-Architektur entwickelt, das die bestehenden Technologien FDT und EDDL mit Schwerpunkt Client bzw. Server so nutzt, dass die oben genannten Vorteile der jeweiligen Technologien erhalten bleiben und die Nachteile vermieden werden. Technologische Basis für das Konzept ist die neue OPC Unified Architecture. Im OPC UA Server wird das DIM genutzt. Hier liegt der Fokus auf der Abbildung der Datenschnittstelle bezüglich Struktur und Verhalten. Basis für die Beschreibung des DIM ist EDDL, da die Sprache alle notwendigen Elemente zur Abbildung des DIM enthält. Gleichzeitig bieten Plattformunabhängigkeit und interpreterbasierte Ausführung ein hohes Maß an Technologieunabhängigkeit und Robustheit – beides wichtige Anforderungen für eine serverseitige Technologie. Auf der Clientseite wird im sogenannten Device Engineering Framework – vergleichbar mit der FDT-Frameapplication – über das DOM die Bedienung des Gerätes ermöglicht. Hier liegt der Fokus auf den Bedien-Abläufen, die während der Gerätebedienung durchlaufen werden. Für einfache GUIs bietet sich hier die Verwendung der Sprachelemente der EDDL an. Weiterreichende Funktionalität und GUIs werden gemäß dem FDT-Konzept vom Gerätehersteller programmiert. Damit wird die Flexibilität von FDT, die die freie Programmierung bietet, in das neuartige Konzept integriert. Auch das Device Engineering Framework folgt den Konzepten von FDT. Prototypische Umsetzung Um das Konzept zu evaluieren, hat itm eine prototypische Umsetzung anhand eines beispielhaften Gerätes realisiert. Für einen Frequenzumrichter wurde dabei das DIM mit EDDL erstellt. Das DOM besteht aus einem EDDL-basierten Teil – z.B. für die Schnellinbetriebnahme – und aus einer programmierten Erweiterung. Diese Erweiterung zeigt, wie ein grafischer Programmeditor zur Verschaltung der im Gerät zur Verfügung stehenden Funktionsblöcke die nahtlose Verbindung von Beschreibungstechnologie und Programmierung nutzt. Der beschriebene Prototyp wurde während der SPS/IPC/Drives 2006 auf dem Stand von itm präsentiert.