Open Source Automation Development Lab (OSADL) eG

Projekt: Echtzeit-Netzwerk (OPC UA PubSub über TSN)

Der Ethernet-Standard bzw. die Weiterentwicklung dieser unteren Kommunikationsschicht stellt heute einen wichtigen Standard für interoperable Netzwerkkommunikation dar - und zwar vom Sensor über die Steuerung bis zum Server. Nach allgemeiner Auffassung besteht kein Zweifel daran, dass dies in naher und ferner Zukunft auch so bleiben wird. Allerdings besteht großer Zweifel daran, dass die höheren Kommunikationsschichten so bleiben werden, wie sie zur Zeit sind. Denn auch für diese sollte es eigentlich nur ein einziges Protokoll geben - statt wie zur Zeit mehr als fünfzig verschiedene, von denen keines mehr als 50 % Marktanteil erreicht hat. Außerdem werden Verfahren benötigt, die echtzeitfähig und deutlich ressourcenschonender sind als heutige Protokolle, damit die zu erwartende große Anzahl zukünftiger Netzwerkknoten bewältigt werden kann. Die genannten Zweifel waren offensichtlich mehr als gerechtfertigt; denn 21 namhafte Automatisierungsfirmen, die zusammen wohl mehr als 95 Prozent des Marktes abdecken, haben sich anlässlich der SPS IPC Drives 2018 für ein einheitliches echtzeitfähiges Kommunikationssystem auf der Basis von OPC UA mit Publish/Subscriber-Erweiterungen (PubSub) und Time Sensitive Network (TSN) ausgesprochen. Und es war naheliegend, der OPC Foundation Aufgabe und Verantwortung zu übertragen, Standardisierung und Implementierung des neuen weltweit verbindlichen Protokolls zu organisieren.

Neben der Standardisierung von OPC UA PubSub über TSN ist es aber auch erforderlich, frei zugängliche und uneingeschränkt verwendbare Software-Implementierungen bereitzustellen, um eine allgemeine Akzeptanz der Verfahren zu erzielen. Dies kann am besten dadurch erreicht werden, dass für die Implementierung eine solche Open Source-Lizenz verwendet wird, die es gestattet, von proprietären Applikationen eingebunden zu werden. Da dies zunächst nicht der Fall war, wurde eine erste Version von OPC UA zunächst ohne PubSub und ohne TSN im Rahmen des Projektes "open62541" ins Leben gerufen. Die Weiterentwicklung einschließlich Bereitstellung von PubSub und ersten Tests mit TSN erfolgte dann in einem OSADL-Community-Projekt. Als Entwicklungspartner agierten dabei ein Team am Fraunhofer-Institut für Optronik, Systemtechnik und Bildauswertung (Fraunhofer IOSB) und der in Indien beheimatete Software-Integrator und Consultant Kalycito Infotech. Nach Abschluss dieser Projektphase stand erstmals OPC UA mit PubSub unter einer für Industrieprodukte geeigneten Open Source-Lizenz zur Verfügung. Allerdings fehlten noch mindestens die folgenden Komponenten:

1. Konfiguration von TSN-Endpunkten
2. Generisches Interface zu TSN
3. Verbesserung der Echtzeiteigenschaften
4. Unterstützung bei der Zertifizierung einzelner Geräte
5. Erweiterung um einen Security-Layer

Um die Entwicklungstätigkeit für diese Komponenten wiederum im Rahmen eines Community-Prozesses zu realisieren, wurde eine weitere Projektphase organisiert, die Ende 2019 erfolgreich abgeschlossen wurde. Als herausragendes Ergebnis ist zu nennen, dass im Sommer 2019 ein mit der open62541-Software realisierter Beispielserver von der OPC Foundation erfolgreich zertifiziert wurde. Dabei wurde Compliance mit dem "micro embedded device server"-Profil bestätigt. Diese Eigenschaften sind ab der Version 1.0 der open62541-Software verfügbar und können von der Projektseite www.open62541.org heruntergeladen werden. Bei der Verwendung in Produkten sind die Open Source-Lizenzbedingungen der Mozilla Public License v2.0 zu erfüllen.

Entwicklungstätigkeit und Organisation des Projekts

• Fraunhofer IOSB
• Kalycito Infotech
• Open Source Automation Development Lab (OSADL)

Projektteilnehmer

• Balluff GmbH
• Heidelberger Druckmaschinen AG
• Intel Corporation
• iss innovative software services GmbH
• Kontron Europe GmbH
• Linutronix GmbH
• Nestfield Co., Ltd
• Pepperl+Fuchs AG
• Pilz GmbH & Co. KG
• Sick AG
• Siemens AG
• TQ-Systems GmbH
• WIKA Mobile Control GmbH & Co. KG

Vor noch nicht langer Zeit war es durchaus auch in Fachkreisen umstritten, ob es überhaupt möglich ist, einen zu anderen Zwecken entwickelten General Purpose Kernel wie Linux zu einem Echtzeitkernel umzubauen. Inzwischen ist klar geworden und auch allgemein akzeptiert, dass dies durchaus möglich ist und dass ein ein entsprechend angepasster Linuxkernel problemlos für einen Vielzahl von Echtzeitaufgaben, wie sie z.B. in der Industrie anfallen, eingesetzt werden kann. Den Linuxkernel echtzeitfähig zu machen war unter anderem auch ein wichtiges Ziel bei der Gründung von OSADL. Seit Anfang 2016 hat es die Linux Foundation übernommen, die Weiterentwicklung der Echtzeiteigenschaften des Linuxkernels zur koordinieren und Sponsoren dafür zu motivieren (Linux Foundation RTL Project). Mit seiner Mitgliedschaft in diesem Projekt trägt auch OSADL in nennenswertem Umfang dazu bei und hat die Aufgabe übernommen, die Automatisierungsindustrie dort zu repräsentieren.

Die Entwickler des Linuxkernels sind auf Rückmeldungen der Anwender aus den jeweiligen Branchen angewiesen, um die erwartete hohe Qualität des Linuxkernels nicht nur im allgemeinen, sondern auch in Bezug auf branchenspezifische Anforderungen gewährleisten zu können. Für die Automatisierungsindustrie, den Maschinenbau und ganz allgemein für Embedded Systeme hat OSADL diese Aufgabe übernommen und ein geeignetes Testzentrum – die sogenannte "OSADL QA-Farm" – eingerichtet. Damit eine möglichst große Bandbreite an realistischen Szenarien erreicht wird, führt OSADL in der QA-Farm an über 170 verschiedenartigen Embedded Systemen rund um die Uhr vielfältige Messungen durch. Wesentlicher Teil dieser Messungen ist dabei die Bestimmung der Echtzeitfähigkeit der Systeme und deren Laufzeitstabilität.

Erst langsam verbreitet sich das Wissen, wie mit Open Source-Lizenzen umzugehen ist und welche Schritte ein Unternehmen einleiten muss, um bei der Lizenzierung von Open Source-Software auf der sicheren Seite zu stehen. Dies ist unter anderem auch deswegen wichtig, weil Lizenzkonformität zur Unternehmens-Compliance gehört und Nichtbeachtung empfindliche Folgen für die Geschäftsführung nach sich ziehen kann. OSADL bietet daher in Zusammenarbeit mit darauf spezialisierten Anwälten Know-how und Best Practices aus der täglichen Praxis an. Darüber hinaus wurde das formale Zertifizierungsverfahren OSADL License Compliance Audits (LCA) entwickelt. Damit können Unternehmen, die Linux für oder in Embedded Systemen vertreiben, die Einhaltung der Open Source Lizenzpflichten überprüfen lassen und die Lizenzkonformität ihrer Produkte nach außen dokumentieren. Wenn beim LCA Lücken festgestellt wurden, hilft OSADL doppelt:

• Das Unternehmen erhält konkrete Vorschläge, um diese Lücken zu schließen und
• klare Konzepte, wie die betroffenen Prozesse optimiert werden können.

Wenn das Audit erfolgreich ist, wird ein Zertifikat erteilt und das auditierte Produkt kann mit dem OSADL LCA-Gütesiegel gekennzeichnet werden.

Steht ein Unternehmen immer wieder vor der Aufgabe, Produkte auf Lizenzkonformität zu überprüfen, bietet es sich an, das mehr prozessorientierte Supplier License Compliance Audit (SLCA) zu beauftragen. Hiermit wird sichergestellt, dass die im Unternehmen implementierten Prozesse adäquat sind und das Unternehmen befähigen, korrekt mit den Anforderungen an Open Source-Software umzugehen

Mehr Informationen zum OSADL LCA unter: lca.osadl.de

Nachdem Linux nun auch mit Echtzeiteigenschaften ausgerüstet werden kann, muss noch eine zweite Hürde genommen werden, um Linux als universelles Betriebssystem für Embedded Systeme aller Art verwendbar zu machen: Zertifizierung für den Einsatz in sicherheitskritischer Umgebung. Die Schwierigkeit einer solchen Zertifizierung ist in erster Linie darin begründet, dass Open Source-Software bedingt durch deren Entwicklungsmodell grundsätzlich nicht als konformant entwickelte Software betrachtet werden kann, sondern dass neue Verfahren zur Zertifizierung entwickelt werden müssen. Insofern sind zunächst zwei völlig unterschiedliche Aufgaben zu bewältigen. 1. Die Bereitstellung und Validierung geeigneter Zertifizierungsprozesse und 2. dann die Anwendung dieser Prozesse auf individuelle Embedded Systeme. Wesentlicher Vorteil dieser Vorgehensweise in zwei Schritten liegt darin, dass der erste Schrift im Prinzip nur ein einziges Mal durchgeführt werden muss, da die erarbeiteten Prozesse in zukünftigen Projekten weitgehend wiederverwendet werden können. Das OSADL SIL2LinuxMP-Projekt hat sich genau diese Aufgaben zum Ziel gesetzt. Teilnehmer an diesem Projekt können ihre Systeme im Rahmen des Community-Projekts zertifizieren lassen oder nutzen alternativ den Zugriff auf Tools und Dokumente des SIL2LinuxMP-Projekts, um diese für eigene Zertifizierungen von mit Linux ausgerüsteten Embedded Systemen zu verwenden. Interessenten werden gebeten, sich direkt an OSADL zu wenden.

Mehr Informationen durch E-Mail-Anfage an safety@osadl.org