Oft benötigen Maschinen neben einem Echtzeitbetriebssystem ein weiteres Betriebssystem für Anwendungen wie Datenaggregierung und -übertragung in die Cloud, Business-Intelligence-Analysen oder Visualisierungen. Bislang waren in solchen Fällen meist zwei Hardware-Geräte notwendig. Mit einem Bare-Metal-Hypervisor sollen sich nun beide Funktionen ohne Nachteil auf einem Industrie-PC vereinen lassen.

Moderne Steuerungen und Echtzeitbetriebssysteme sind leistungsfähig und decken zahlreiche Funktionen ab. Dennoch kann es sinnvoll sein, weitere Funktionen mit zusätzlicher Software auf ein anderes Betriebssystem zu übertragen. „Spezielle Programme für Simulationen oder 3D-Visualisierungen laufen zum Beispiel häufig auf Linux- oder Windowssystemen“, erklärt Gerd Lammers, Geschäftsführer von Real-Time Systems. Auch Web-Anwendungen laufen nicht auf gängigen Echtzeitsystemen, sondern in Linux- oder Windows-Umgebungen.

Es ist problemlos möglich, getrennte Hardware für Steuerung und weitere Funktionen zu nutzen. „Die Vorteile einer integrierten Lösung sprechen jedoch für sich“, so Lammers. Der Platzbedarf im Schaltschrank sinkt und die Kommunikation wird schneller abgewickelt. Zudem werden die zur Verfügung stehenden Hardware-Ressourcen besser ausgenutzt. Folglich sinken die Kosten.

Nachteil Virtualisierungslösung: Dein Problem ist mein Problem

Seit vielen Jahren werden Virtualisierungslösungen verwendet, um mehrere Betriebssysteme auf einem Hardware-Gerät einzusetzen. „Die Virtualisierungstechnologie hat jedoch einen gravierenden Nachteil“, erklärt Manfred Mitterbuchner, Technology Manager Automation Software bei B&R: „Die Betriebssysteme beeinflussen sich gegenseitig. Stürzt eines ab, sorgt das auch für Probleme beim anderen. Ist eines der Betriebssysteme für die Steuerung einer Maschine oder Anlage zuständig, kann das gravierende Folgen haben – vom ungeplanten Stillstand bis hin zu Maschinenschäden oder gar Verletzungen.“

Die Lösung: Bare-Metal-Hypervisor

Es braucht also eine Lösung, die die gegenseitige Beeinflussung verhindert. „Es darf kein Host-Betriebssystem geben, auf welchem das andere System läuft“, so Mitterbuchner weiter, „und die Lösung muss so performant sein, dass die Echtzeitfähigkeit erhalten bleibt.“ Das funktioniert nur, wenn die vorhandene Hardware eindeutig einem Betriebssystem zugeordnet ist. Möglich ist das mit einem sogenannten Bare-Metal-Hypervisor. „Bare Metal deshalb, weil der Hypervisor direkt auf der Hardware läuft und nicht an ein Betriebssystem gebunden ist.“ B&R hat in Zusammenarbeit mit dem Unternehmen Real-Time Systems einen Bare-Metal-Hypervisor in sein Automatisierungssystem integriert. Dieser ermöglicht, dass das Echtzeitsystem Automation Runtime und ein allgemeines Betriebssystem gemeinsam auf einer Hardware laufen.

Exakte Zuteilung aller Ressourcen

„Der Hypervisor ermöglicht eine exakte Zuordnung aller verfügbaren Hardware-Ressourcen“, betont Mitterbuchner. Neben Prozessorkernen, Arbeitsspeicher und Ethernet-Schnittstellen können auch USB-Schnittstellen und einzelne Ports eindeutig einem Betriebssystem zugeordnet werden. „Zudem unterstützen wir die allerneueste Intel-Technologie auf diesem Gebiet“, ergänzt Gerd Lammers, „mit der Cache Allocation Technology wird auch der Last-Level-Cache aufgeteilt und klar einzelnen Betriebssystemen zugeordnet.“ Dadurch wird eine maximale Stabilität aller Betriebssysteme ermöglicht.

Einfache Konfiguration

Die Konfiguration des Hypervisors soll laut Hersteller einfach sein: In der B&R-Automatisierungs-Software Automation Studio wird der Hypervisor aktiviert und anschließend die Zuteilung der Ressourcen vorgenommen. Die Installationsdatei wird dann auf einem USB-Stick gespeichert und auf dem Zielsystem über ein Boot-Menü ausgeführt. „Und schon ist der Hypervisor startklar“, so Mitterbuchner.
Als allgemeines Betriebssystem (General Purpose Operating System – GPOS) können aktuelle Windows- und Linux-Versionen verwendet werden. Während bisherige Parallelisierungs-Lösungen speziell auf eine Windows-Version zugeschnitten waren, ist der Hypervisor vollständig unabhängig von der Version der verwendeten Betriebssysteme. Updates, Patches oder Upgrades können ohne Probleme und ohne Umwege installiert werden. Das ist wichtig, da immer mehr Industrie-PCs direkt mit dem Internet verbunden sind. 

Gateway für das IIoT

„Der Hypervisor ist ideal, um eine Industrie-Steuerung zu einem Edge-Gerät oder IoT-Gateway zu machen“, ergänzt Mitterbuchner. Dazu schickt das Echtzeitbetriebssystem (Real-time Operating System – RTOS) über eine virtuelle Ethernet-Schnittstelle ausgewählte Daten an eine Anwendung auf dem GPOS. Dort werden die Daten verdichtet und über OPC UA an übergeordnete Systeme geschickt. Diese können sich auch in der Cloud befinden.
Der RTS-Hypervisor läuft auf jedem B&R-Industrie-PC mit mindestens zwei Prozessorkernen. Anwender haben dabei eine breite Auswahl vom ultrakompakten Automation PC 2200 mit Intel-Atom-Prozessor bis hin zu leistungsstarken Xeon-Prozessoren im Automation PC 910. Mitterbuchner: „Durch die Kombination des Hypervisors mit unserer breiten Palette an Industrie-PCs kann sich der Anwender für jede Applikation die optimale Lösung zusammenstellen.“