Linux in der Automatisierung

Offen, modular, skalierbar

Linux in der Automatisierung
In der Automatisierung findet man eine nur schwer überschaubare Vielfalt unterschiedlichster Rechnerarchitekturen. Eine abwechslungsreiche Rechnerlandschaft – vom eingebetteten CPU-Kern einer Steuerung über Ethernet- und WLAN-Kommunikationssysteme bis zur hochkomplexen Bedieneinheit – prägt dieses Anwendungssegment. Da erscheint es schon fast unmöglich, nur ein einziges Betriebssystem einzusetzen.

Linux ist von Haus aus ein PC-Betriebssystem. Es wurde 1991 ursprünglich von Linus Torvalds für den Einsatz auf PC-Systemen mit IA-32-Prozessor (IA-32 = Intel Architecture 32-bit – die offizielle Intel-Bezeichnung für die 32-bit-x86-Architekturen) entwickelt. Torvalds hat Linux unter die General Public License (GPL) gestellt und bereits in der Anfangsphase den Quellcode veröffentlicht. Die GPL erlaubt praktisch beliebige Änderungen an dem Code. Derartige Änderungen müssen allerdings ebenfalls wieder im Quellcode weitergegeben werden. Dadurch entstanden im Laufe der Zeit zahlreiche Portierungen für andere Hardwareplattformen und Prozessorarchitekturen. Über diese Portierungsarbeiten wurde Linux im Laufe der Jahre zu einem sehr modularen Betriebssystem, das sich praktisch für jeden beliebigen Anwendungsfall skalieren und konfigurieren lässt. Dadurch kann es heute an die unterschiedlichen Anforderungsprofile der Automatisierungstechnik angepasst werden. Man findet Linux auf Embedded-Systemen, verschiedenartigen Kommunikationsrechnern und unterschiedlichen Bedieneinheiten.

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Die wohl größte Fraktion der 32-Bit-Automatisierungsrechner bilden die eingebetteten (Embedded) Systeme. Auf diesen Rechnern basieren beispielsweise unzählige Steuerungen und Regelungen. Ein Beispiel ist die Speicherprogrammierbare Steuerung (SPS), die auch Regelaufgaben ausführen kann. Solche Plattformen nutzen ein Embedded-Betriebssystem in erster Linie als Isolationsebene zwischen der Hardware und den Anwendungsprogrammen. Aber auch die Betriebssystem-Funktionen sind wichtig. So bietet Linux zum Beispiel ein ausgefeiltes Multitasking, das die parallele Ausführung verschiedener Aufgaben ermöglicht.

Kommunikative Lösung

Die Automatisierungstechnik nutzt verschiedene Medien zur Datenkommunikation. Neben dem Ethernet-LAN – das sich nach der Büroumgebung in Laufe der Jahre auch in der Automatisierung verbreitet hat – findet man hier verschiedene Feldbussysteme mit unterschiedlichen Konzepten, die noch nicht einmal kompatibel zueinander sind. Aber auch gewöhnliche serielle Schnittstellen wie das inzwischen schon recht betagte RS232-Interface kommen zum Einsatz. Neuerdings gibt es auch immer mehr WLAN-Anwendungen.

Auf Grund dieser recht unterschiedlichen Kommunikationstechnologien werden sehr viele Koppelrechner (Brücken, Gateways) benötigt, die unterschiedliche Schnittstellenkonzepte miteinander verbinden. Ein typisches Beispiel ist der Device Server IGW/900. Dieser kleine Hutschienen-Rechner arbeitet als Protokollkonverter zwischen einem Ethernet-LAN und einem CAN-Feldbusnetzwerk. Zusätzlich hat dieses Gerät auch RS232-, RS422- und RS485-Schnittstellen. Das Betriebssystem für einen derartigen Konverter muss in erster Linie die erforderliche Treiber- und Protokollunterstützung für alle denkbaren Kommunikations-Szenarien bieten. Beim IGW/900 ist das primär der TCP/IP-Protokollstack für die Ethernet-Schnittstelle, serielle RS232-/RS422-/RS485-Schnittstellentreiber sowie die CAN4Linux-Treiber (gesprochen: CAN-for-Linux) für die CAN-Kommunikation. Aber auch typische Linux-Serverprogramme wie ein Webserver kommen hier zum Einsatz.

Anwendungsfall ­Bedieneinheit

In der Automatisierung finden unzählige Bedieneinheiten Anwendung. Sie dienen als Bindeglied zwischen dem Menschen als Bediener und einer x-beliebigen Maschine. Man bezeichnet sie daher auch als MMI-Systeme (MMI = Men Machine Interface). Sie ermöglichen die Wechselwirkung (Interaktion) zwischen dem Menschen und einer Maschine. Diese dient der zielgerichteten Zusammenarbeit, um ein bestimmtes Ergebnis zu erreichen. Die Anforderungen eines MMI-Systems an das Betriebssystem sind in erster Linie die Abfrage der Bedienelemente, die visuelle Darstellung des Prozesszustands, die Steuerung der Kommunikationsschnittstellen und schließlich die Sicherheit gegen unberechtigte Zugriffe.

Weil Linux von Haus aus ein PC-Betriebssystem ist und PCs primär für die Benutzerinteraktion genutzt werden, findet man im Funktionsvorrat eine sehr umfangreiche Sammlung an MMI-Komponenten. Diese können über die Linux-Skalierungs- und -Konfigurationsmöglichkeiten für praktisch jede beliebige Bedieneinheit genutzt werden. Als einzige Vorraussetzung ist lediglich ein 32-Bit-Prozessor erforderlich. Gerade im Hinblick auf die Größe und Auflösung (Anzahl der Bildschirmpunkte) der Anzeige weist Linux eine nahezu beispiellose Flexibilität auf. Dieses Betriebssystem lässt sich sowohl an Benutzeroberflächen mit einer einfachen Textanzeige (zum Beispiel ein LC-Display mit vier Zeilen je 16 Zeichen), als auch an ein hochauflösendes 15-Zoll-TFT-Display mit 1024 mal 768 Bildpunkten und 32 Bit Farbtiefe anpassen. Auch im Hinblick auf spezielle Eingabeelemente (Frontplatten-Tastaturen, berührungssensitive Touchscreens, und so weiter) bietet Linux die entsprechende Treiberunterstützung.

Der Rechnereinsatz in der Automatisierungstechnik ist vielfältig. Zumindest im Bereich der 32-Bit-Rechner deckt Linux praktisch alle Anforderungsprofile mit modernsten Leistungsmerkmalen ab. Unterhalb der 32-Bit-Leistungsklasse kommen allerdings auch noch viele andere Embedded-Betriebssysteme zum Einsatz, die häufig im Hinblick auf Echtzeitaufgaben ausgewählt werden. PC-kompatible Bedieneinheiten mit hochauflösenden Grafikanzeigen werden – soweit es die Umgebungsbedingungen zulassen – auch in der Automatisierungslandschaft recht häufig mit Microsoft-Windows betrieben. Ursächlich hierfür ist in erster Linie die Windows-Dominanz bei den Büro-PCs und der Wunsch vieler Anwender, Software aus dem Büroumfeld in industrieller Umgebung einzusetzen. Klaus-Dieter Walter (gm)

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