Application Frameworks für Embedded-Computer

Anwendungen aus OEM App Stores herunterladen und ausführen

Die Marktanforderungen für Industrieanlagen und industrielles Computing verändern sich drastisch: Die Hersteller solcher Automatisierungssysteme sind mehr und mehr gezwungen, sich auf ein komplett neues Produktionsmodell einzustellen; ein Modell, das integrierte Echtzeit-Systeme mit sicherem Fernzugriff auf Betriebsdaten und intelligente Datenverarbeitung sehr nahe an der Maschine selbst (‚edge intelligence‘) kombiniert. Die Hersteller von Industrie-Computern, die in der Lage sind, schnell ihre Entwicklungsprozesse neu zu erfinden, werden am Stärksten vom IIoT profitieren können. Entscheidend in diesem Prozess wird die Architektur für schnelle und on demand-Distribution von Softwarekomponenten sein. Das Kernkonzept, das hier übernommen und implementiert werden muss, ist das der App Stores und der Application Frameworks, was einen vollständigen Paradigmenwechsel des Herstellers in Bezug auf den Lebenszyklus seiner Produktentwicklung erfordert.

 (Bild: Aicas GmbH)

(Bild: Aicas GmbH)

Übliche ‚industrial computing‘ – Umgebungen basierten auf kleinen Mikrocontrollern, mit relativ niedrigen Leistungen und begrenzter Speicherkapazität. Oftmals lief die gesamte Betriebssoftware ohne externen Speicher auf dem Mikrocontroller, Betriebssystem und Anwendung wurden zu einem einzigen, monolithischen Firmware-Image. Die Verfügbarkeit kostengünstiger, externer Speicher und der exponentielle Anstieg der CPU-Leistung verschoben die Basis des Industrie-Computers von einfachen Mikrocontrollern zu leistungsfähigen Mikroprozessoren mit großen externen Speichern. Dennoch wird monolithische Firmware auch weiterhin als Einzelimage gebündelt, und als Teil der Materialliste betrachtet. Normalerweise erstreckt sich ein traditioneller Entwicklungszyklus eines neuen Geräts für die Automatisierung industrieller Prozesse über ca. drei Jahre. Die gewünschte Funktionalität und die Anforderungen an die Anwendungssoftware werden als Vorgabe gleich zu Beginn des Entwicklungszyklus bestimmt, somit viele Jahren im Voraus in Stein gemeißelt. Es gibt deshalb kaum Raum für Ergänzungen oder Modifikationen, und wenn Updates oder Änderungen notwendig sind, werden sie als komplett neue Version geplant (Firmware-Release). Dabei benötigt jede Version einen neuen, vollständigen Software-Entwicklungszyklus, mit Regressionstests des gesamten Systems. Mit anderen Worten, das Software-Update erscheint mehrere Jahre später, oft zusammen mit einer Aktualisierung der Hardware. Vor der Ära des Industrial Internet of Things war dieser Ansatz – monolithische Firmware als Teil der Stückliste – zusammen mit langen Entwicklungszyklen des ‚industrial computing‘ für große, erfolgreiche Hersteller völlig akzeptabel. Vor allem auch, weil die Industrie-Computer meistens offline funktionierten, ohne jegliche Vernetzung, oder höchstens nur lokal mit anderen Maschinen verbunden waren. Wenn überhaupt vorhanden, war die Verbindung mit Fernsystemen – sei es über das Internet oder durch Verlinkung mit dedizierten Netzwerken – sehr begrenzt.

Die Auswirkungen mobiler Geräte

Die zunehmende Nutzung von iPhones und Smartphones verhalf dem Aufstieg von App Stores und Application Frameworks, und veränderte grundlegend das Konzept Endgeräte-Software (‚device-software‘). Bei der Einführung dieser Geräte verfügten sie über eine sehr kleine Anzahl von Anwendungen; heute gibt es Millionen solcher kleine Applikationen zum sofortigen Download. Diese Apps werden ständig aktualisiert, erweitert und sofort auf den Zielgeräten der Nutzer installiert, sobald die Entwicklung abgeschlossen ist. Endgeräte und Software werden mit mächtigen und entfernt gelegenen Rechenzentren, der sogenannten Cloud, nahtlos verbunden und der physische Ort, an denen Datenverarbeitung stattfindet, kann sich für den Nutzer transparent zwischen dem Gerät und der Cloud verlagern.

Ein Dilemma für die Hersteller

Das Smartphone als Computer zu erleben hat das Erwartungsniveau an alle IT-Geräte – in Bezug auf Konnektivität, Innovationsrhythmus und die Verfügbarkeit neuer Funktionen, Updates und Upgrades – enorm erhöht. Davon sind natürlich auch Industrie-Computer betroffen. Deshalb stecken derzeit deren Hersteller in einem Dilemma, zwischen ihren bisherigen Produktionsmethoden – langen Entwicklungszyklen mit monolithischer Firmware – und den modernen Erwartungen an die Software-Entwicklung für Endgeräte. Etablierte Prozesse der Softwareentwicklung, beliebte Tools und sogar die ausgewählten Programmiersprachen, die in den letzten 30 Jahren erfolgreich von Herstellern industrieller Ausrüstung eingesetzt wurden, sind nun zum größten Hindernis für dieses neue Computer-Paradigma geworden. Das Entwicklungskonzept von App Stores und Application Frameworks, im Gegensatz zu monolithischer Firmware, war die treibende, technologische Kraft hinter dem explosiven Wachstum von Apps im letzten Jahrzehnt. Neue Wege für die Entwicklung und Distribution von Anwendungen zu finden ist die Herausforderung der Hersteller von Industrie-Computern: Methoden, die komplett neues Territorium sind.

Ein Application Framework für Embedded- und Industrie-Computer

Einen App-Store und ein Application Framework für IIoT anzubieten, bedeutet, das Konzept des App Stores um Komponenten für heterogene Gerätetypen zu erweitern, und eine Architektur zu implementieren, die ressourcenschonend, sicher und echtzeitfähig ist und sowohl Betriebssystem- als auch CPU-neutral ist. Ein solches Application Framework muss spezielle Funktionen erhalten, die von den Herstellern von Industrie-Computern benötigt werden, das sind unter anderem

• sichere Laufzeitumgebung für die Virtual Machine,
• deterministische, harte Echtzeitausführung,
• Unterstützung verschiedener Betriebssystem-,
CPU-Architekturen und open APIs,
• sichere Internetverbindung und Sicherheitsmodell sowie ein
•  API-Berechtigungssystem für Drittanbieter-Anwendungen.

Unerlässlich sind auch individuell anpassbare App Stores für Downloads, Updates und Upgrades, Support für Industrie- und Messaging-Protokolle, als integrierte Komponenten oder zum Herunterladen, und eine grafische Benutzeroberfläche mit Gestenunterstützung für Touchscreen-Monitore und -Steuerungen. Ein derartiges Application Framework weicht in zwei wesentlichen Punkten vom monolithischen Firmware-Entwicklungsmodell ab: Es setzt voraus, dass alle Anwendungen und Komponenten von externen Speichern geladen werden können und es nutzt eine moderne Programmiersprache und Laufzeitumgebung. Smarte Technologien im Maschinenpark automatisierter Produktion sind keine Zukunftsmusik sondern real beschreibbare Anforderungen an existierende Software.

Autor: David Beberman
Vorstand Marketing und CSO
Aicas GmbH
www.aicas.com

Anwendungen aus OEM App Stores herunterladen und ausführen
Bild: Aicas GmbH


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