Abbildung 1: Bei der Automations-Fachmesse Automatica in München demonstrierte das RTL-Open-Projekt das Echtzeitreferenzmodell anhand eines Kugellabyrinths.

Maschinenbauer, die Prozesse im Millisekundenbereich steuern, haben ein Zeitproblem. Nicht nur die Beherrschung der Sekundenbruchteile sorgt für Kopfzerbrechen, auch der lange Lebenszyklus der Maschinen, der den von Betriebssystemen oft um Jahre überdauert. Hier kommt RTL Open ins Spiel.

Wer schon versucht hat, mit den Drehknöpfen eines Kugellabyrinths den Sturz der Kugel in eines der vielen Löcher zu verhindern, weiß, dass dabei schnelle und präzise Reaktionen gefordert sind. Den Forschern des Fraunhofer-Instituts Experimentelles Software Engineering (IESE, [1]) schien das Geschicklichkeitsspiel die Vorstellung von Echtzeit einleuchtend zu vermitteln.

Gefördert vom Bundesministerium für Bildung und Forschung haben die vier Mitglieder des Teams von Projektleiter Ralf Kalmar dem Labyrinth eine mechatronische Steuerung verpasst. Dem Spieler sind zwei Drehknöpfe geblieben, statt der beiden anderen übernehmen Schrittmotoren die Bewegung der Ebene.

Eine Hochleistungskamera über dem Holzkasten der Kugelbahn liefert mit mehreren hundert Bildern pro Sekunde Informationen zur Lage der Bahn und zur Position der Kugel. Das Auswerten der Position mit einer Genauigkeit von einem halben Millimeter und das Gegensteuern vor dem Fall sind Aufgaben, die im Millisekundenbereich ablaufen. Mit Hilfe des korrigierend eingreifenden Echtzeitsystems soll der menschliche Mitspieler das Labyrinth (Abbildung 1) ohne Absturz durchqueren können.

Abbildung 1: Bei der Automations-Fachmesse Automatica in München demonstrierte das RTL-Open-Projekt das Echtzeitreferenzmodell anhand eines Kugellabyrinths.

Referenzmodell

Bei der Fachmesse Automatica in München sind die Forscher auf Interesse bei der Kundschaft aus Industrie und Maschinenbau gestoßen. Nicht weil das Steuern eines Labyrinths (Abbildung 2) zu den angesagten Anwendungen in der Automation und Mechatronik zählen würde, sondern weil das RTL-Open-Projekt eine Referenzarchitektur zusammengestellt hat, bestehend aus einem Real-Time-Linux-Kern sowie APIs, Kommunikationsformaten, Entwicklungsmethoden, Techniken und Werkzeugen. Bis Ende 2006 steht das Projekt auf der Förderliste.

Abbildung 2: Das Labyrinth in einem frühen Stadium der Entwicklung. Zwei der Drehknöpfe hat das Team durch Schrittmotoren ersetzt, die nötigenfalls die Steuerung des Benutzers ergänzen.

Beendet ist die Arbeit nach fast drei Jahren damit aber nicht, sagt Ralf Kalmar. Es sei geplant, einzelne Teile weiterzuentwickeln und Unterstützung bei der Integration anzubieten. Bei einer der Firmen, mit denen das Projekt zusammenarbeitet, war die abgelaufene Unterstützung für das proprietäre Betriebssystem der Anlage ein Grund, sich für die Open-Source-Architektur zu entscheiden, erzählt Kalmar. Auch ohne Herstellerlizenz Durchgriff auf das Betriebssystem zu haben sei entscheidend. Der Weg über das Open-Source-Gleis ist für Entwickler allerdings nicht einfacher. Beim Proof-of-Concept mit dem Kugellabyrinth spürten die Forscher das am eigenen Leib.

Kernfragen

Die Integration existierender Werkzeuge und Patches hatte sich für das Projekt als komplexe Angelegenheit entwickelt. Schon die Wahl der Kernelversion wollte überlegt sein: Neu genug, dass er mit dem Treiber des per USB angebundenen Bedienpanels zurechtkommt, alt genug, sodass vorhandene Echtzeiterweiterungen funktionieren.

Die Wahl des IESE fiel auf Kernel 2.4. Mit Ausgabe 2.6 lassen sich zwar Kernel-Systemdienste unterbrechen, um einen Prozess mit höherer Priorität auszuführen, aber auch dieser Kernel enthält längere kritische Abschnitte, die zu Verzögerungen für zeitkritische Prozesse führen. “Harten Echtzeitanforderungen genügt Linux nicht”, sagt Kalmar. Distributionen wie Debian oder Suse unterstützen außerdem keine Echtzeiterweiterungen. Red Hat hat seine Aktivitäten auf diesem Gebiet sogar ganz eingestellt.

Echtzeiterweiterungen wie das Realtime Application Interface (RTAI, [3]) oder RT Linux [4] gilt es deshalb, getrennt in das Betriebssystem zu patchen, zu übersetzen und zu installieren. Dann folgt die Handarbeit an Treibern und Regelungstechnik. Letztere sorgt noch für Probleme bei der Justage der Ebene des Kugellabyrinths, bis Ende des Jahres soll das Modell aber reibungslos funktionieren. Die Dokumentation und Methodik bei der Fehlersuche fließen dann als Ergebnis ins Projekt ein – ein wichtiger Aspekt: Inbetriebnahme und Wartung der kundenspezifisch gebauten Maschinen verursachen hohe Kosten.

Fehlersuche mit Methode

Wohl dem, der bei der Suche nach Fehlern auf eine strukturierte Entwicklung zurückgreifen kann, die von der Konstruktionsphase über die Anforderungen an Hard- und Software und die Analyse des Modells reicht. Das Fraunhofer-Team versucht die Fehlersuche zu optimieren, arbeitet unter anderem mit Testtreibern, die eine Analyse auf einzelnen Stufen der Entwicklung zulassen. Die Methode, mit einem virtuellen Modell der Maschine Szenarien durchzuspielen, könnte beim Debugging vor Ort wertvolle Zeit sparen.

Zielgruppe KMU

Vor allem kleine und mittelständische Maschinen- und Anlagenbauer experimentieren mit Linux, sagt Kalmar. Das Projekt konzentriert sich deshalb auf diese Zielgruppe und bietet ihr eine möglichst komplette Referenzplattform für die Linux-basierte Rechnertechnik samt Software und zugehörigen Werkzeugen für Automatisierungssysteme an.

Die Partnerunternehmen, die an dem Projekt mitarbeiten und Referenzimplementationen vornehmen, stammen aus dem Mittelstand, etwa Hofmann Maschinen, eine Firma, die sich auf die Vermessung von Autoreifen spezialisiert hat und der Reifenindustrie eine mit Echtzeit-Linux ausgestattete Maschine (Abbildung 3) anbietet.

Abbildung 3: Die Messmaschine für die Gleichförmigkeit von Autoreifen nimmt pro Radumdrehung mehrere hundert Messungen vor. Ein Rechner mit Real-Time-Linux wertet sie in Echtzeit aus.

Kalmar lobt auch die Unterstützung durch die Community um die Echtzeit-Anwendungen. Andererseits gebe es auch Unternehmen, die mit Windows CE sehr glücklich seien. Den Support, den Microsoft und Anbieter von proprietären Tools einem Großkunden anbieten, könne die Gemeinschaft nicht leisten. Allerdings brauche ein kleineres Unternehmen mit 15 Mitarbeitern auch nicht darauf zu hoffen, innerhalb von 24 Stunden eine Reaktion des Windows-Supports zu erhalten. Der sei den Großen vorbehalten.

Pro und Contra

Die vom Projekt ermittelten Hindernisse beim Einsatz von Linux und Open-Source-Werkzeugen dürften auch Benutzern bekannt sein, die weniger experimentell aufgelegt sind: Es mangelt an Dokumentation, professionellem Support, Treibern für spezielle Hardware und benutzerfreundlichen Tools.

Allen Faktoren gemeinsam ist das Risiko, dass durch Mehraufwand bei Installation und Integration höhere Kosten entstehen. Kostensparend wirkt dagegen, dass keine oder nur geringe Lizenzkosten anfallen. Der frei verfügbare Quellcode macht zudem von Herstellern und Software-Lebenszyklen unabhängig. Dass Linux ein sicheres Betriebssystem ist, gilt beim RTL-Open-Projekt auch nicht gerade als letztes Argument für seinen Einsatz.

Durch die Zusammenarbeit mit den Partnern sehen die Forscher ihre Plattform als wissenschaftlich fundierte und unter Industriebedingungen getestete Referenzlösung. Eine Ende Juni erhältliche Live-CD [4] mit der Plattform nebst APIs und Referenztreibern soll interessierten Unternehmen und Entwicklern die Echtzeitfähigkeiten demonstrieren.

Bedauerlich findet Projektleiter Kalmar, dass es keinen Distributor gibt, der die Verwaltung der einzelnen Pakete übernimmt. Das Fraunhofer-Institut bindet sich ungern an solche langfristigen Projekte und hat jetzt mit Klaus Knopper Kontakt aufgenommen, um über diesen Weg vielleicht eine Live-Distribution anbieten zu können.