Server-based Computing in Visualisierungsanwendungen

Panel-PCs sind als Mensch-Maschine-Schnittstellen im Maschinen- und Anlagenbau weit verbreitet. Besonders bewährt haben sie sich als Einzelplatzbediensysteme, aber auch in Mehrplatzsystemen oder zur Anbindung an übergeordnete Netzwerke. Mit Hilfe zeitgemäßer Client-Server-Strukturen lassen sich gerade in Mehrbedienerumgebungen noch Kosteneinsparungen realisieren.

Visualisierung mit Industrie-PC

Offene Panel-PCs haben als Bedien- und Visualisierungsstationen einige Vorteile. Besonders die hohe Rechenleistung und entsprechende Speicherausstattung bieten genügend Reserven für komplexe Darstellungen und Auswertungen. Da fast alle modernen Industrie-PCs mittlerweile mit zwei Ethernet-Schnittstellen ausgestattet sind, können sie sowohl in die Feldebene als auch in die übergeordnete Netzwerkstruktur (z.B. MES, PPS) integriert werden.

Sollen jedoch Mehrplatzarchitekturen mit einzelnen Panel-PCs realisiert werden, steigt der Installations- und Administrationsaufwand, denn für jede Bedienstation ist ein hard- und softwareseitig voll ausgestatteter Industriecomputer notwendig, evtl. ist jedes Gerät an den Feldbus anzubinden.

Warum also nicht die Rechenleistung eines Panel-PCs als Server nutzen, und die einzelnen Bedienstationen mit kostengünstigen, nahezu wartungsfreien Thin Clients ausstatten? Hierfür stellt die IT-Welt einige Client-Server-Konzepte mit entsprechenden Anwendungsprotokollen bereit, von denen einige hier aufgezeigt werden sollen. Hauptvorteil dieser Strukturen ist eine Reduzierung der TCO (Total Cost of Ownership = Gesamtkosten über die Lebensdauer) um bis zu 50%.

Client-Server-Grundlagen

In Client-Server-Netzen werden bestimmte Ressourcen von einem oder mehreren zentralen Rechner(n) (Server) anderen, peripheren Rechnern (Clients) zur Verfügung gestellt. In Büroanwendungen, deren Arbeitsplätze durchgängig mit vernetzten PCs ausgestattet sind, existieren meist Datei-, Datenbank- oder Druckserver, aber auch E-Mail- und Webserver. Die einzelnen Arbeitsrechner sind softwaremäßig voll ausgestattet (Betriebssystem, Anwendungen und Clientsoftware, z.B. Browser und E-Mail-Programm), man spricht demnach von so genannten "Fat Clients".

Mittlerweile sind so gut wie alle Netzwerke mit Fast- oder Gigabit-Ethernet ausgestattet, und die Server-Betriebssysteme sind mehrbenutzerfähig. Die "Überdimensionierung" der einzelnen Client-Rechner und die damit einhergehenden Administrations- und Pflegekosten führten in den vergangenen Jahren verstärkt zur Einführung serverbasierter Lösungen mit wartungsarmen Thin Clients. Dabei bedeutet dieses so genannte "Server Based Computing" eigentlich einen Rückschritt in das Zeitalter der Mainframes, als "dumme" Terminals mit einem Großrechner verbunden waren und nur zur Eingabe und Anzeige von Daten dienten. Dieses Prinzip greift das Server Based Computing (SBC) wieder auf, indem sich die Anwender mittels schlanker, kostengünstiger und nahezu wartungsfreier Thin Clients an Applikatoinsservern anmelden, auf denen die gesamten Anwendungen installiert sind und ausgeführt werden. Dieses Konzept führt zu deutlich verringerten Gesamtkosten, da die Wartungs- und Administrationsarbeiten fast ausschließlich die Server betreffen. Die Thin-Client-Nutzer bleiben von diesen Aufgaben "verschont", neue oder aktualisierte Programme können sie sofort und ohne Eingriffe am Arbeitsplatz nutzen.

Die Vorteile von SBC aus Büroanwendungen lassen sich auch für Bedien- und Visualisierungsaufgaben im Produktionsumfeld nutzen, insbesondere dann, wenn die Applikation mehrere Bedienstationen erfordert, z.B. mehrere Bedienfelder an Transferstraßen, CNC-Maschinen mit mehreren Bedienplätzen, als MES-Clients im Anlagenbau oder in verteilten bzw. vernetzten Produktionslinien.

Basis für alle in diesem Text dargestellten Anwendungen und Kommunikationsprotokolle ist der weit verbreitete Ethernet-Standard - ob kabelgebunden oder über Funk - und ein darauf aufsetzendes TCP/IP-Protokoll. Der Server ist im geschützten Bereich montiert, z.B. im Schaltschrank, während die industriellen Clients als lüfter- und festplattenlose und somit wartungsfreie Geräte konzipiert sind. Durch Nutzung eines Embedded-Betriebssystems mit der jeweiligen Client-Software sind diese kostengünstiger und weniger anfällig. Nicht benötigte Funktionen des Betriebssystems, die bei einer Vollinstallation automatisch z.B. als Dienst im Hintergrund ausgeführt werden, sind im Embedded-Betriebssystems nicht integriert. Dadurch läuft das System sehr stabil und Malware (schadhafte Software, z.B. Viren, Trojaner) findet weniger Angriffspunkte.
Die Embedded-Bauweise der Clients mit langlebigen, industrietauglichen Bauteilen und Komponenten ermöglicht - je nach tatsächlich gegebenen Umgebungsbedingungen - die Client-Nutzung bis zum Ende einer Anlagenlebensdauer ohne Wartungseingriffe.

Client-Server-Lösungen

Ebenso wie in der Automatisierung unterschiedliche Feldbusse miteinander konkurrieren, existieren für Server Based Computing verschiedene Client-Server-Ansätze mit den jeweiligen Anwendungsprotokollen. Jede Lösung hat ihre spezifischen Stärken, die sie für den jeweiligen Einsatzzweck prädestinieren. Im Folgenden werden exemplarisch drei mögliche Ansätze für Visualisierungsaufgaben vorgestellt.

Terminaldienste

"Microsoft Windows Server 2003" bietet die Möglichkeit, als Terminalserver zu fungieren. Verschiedene User melden sich via Terminal Services Client am Server an, der Server führt die einzelnen Benutzer-Sitzungen aus und überträgt die zugehörigen Bildschirm- und auch Audio-Ausgaben via Ethernet an den entsprechenden Client. Dieser übermittelt im Gegenzug die Benutzereingaben (Tastatur- und Maus-/Touchscreen-Befehle) an den Server.

Als Anwendungsprotokoll wird das Microsoft-spezifische Remote Desktop Protocol (RDP) genutzt. Es bietet technisch ausgereifte Mechanismen, um die Server-Ressourcen möglichst gut und ohne Leistungseinbrüche den Clients zuzuordnen. Dazu wird serverseitig die Bildschirmausgabe bereits aufbereitet, die Clients wandeln die erhaltenen Datenpakete selbständig in API-Aufrufe (Application Programming Interface). Zusätzlich verfügt RDP über Kompressionsverfahren und Cache-Mechanismen, um den Netzwerkverkehr möglichst gering zu halten. Die übertragenen Daten sind verschlüsselt und somit "abhörsicher".
Bei Verbindungsabbruch (z.B. temporärer Netzausfall) unterstützt das Protokoll den automatischen Verbindungsaufbau und die Wiederaufnahme der Benutzersitzung durch den Client.

Die Terminaldienste erlauben nicht nur die Übertragung der kompletten Windows-Benutzeroberfläche, sondern auch die exklusive, desktopfreie Ausführung spezieller Anwendungen, z.B. Anbindung von Material- oder Personal-Erkennungssystemen. Ein industrieller Thin Client kann z.B. mit einem Auto-Logon konfiguriert werden, auf dem Server wird daraufhin nur die entsprechende SCADA-Applikation oder MES-Software evtl. mit Zusatzparametern gestartet und die Ausgabe an den Client übertragen. Der Bediener hat keinen direkten Zugriff auf die Benutzersitzung oder auf die Betriebssystemebene.

Client-Server-Lösungen mit Windows 2003 Server und Terminal Services eignen sich besonders in Mehrbedienerumgebungen, auch dann, wenn unterschiedliche Aufgaben an den Arbeitsplätzen zu erfüllen sind. Administration und Wartung werden vereinfacht, weil nur der Server den Wartungs- und Update-Zyklen unterliegt. Die einzelnen Clients sind hard- und softwareseitig nahezu wartungsfrei ausgelegt. Mit einer entsprechend ausgelegten, leistungsstarken PC-Hardware können über 100 Terminal-User gleichzeitig auf die Terminalservices eines Servers zugreifen.

VNC

VNC (Virtual Network Computing) wurde ursprünglich als Fernbedienungssoftware konzipiert, deren Originalversion als quelloffene Software unter der GNU GPL (GNU General Public License) verfügbar ist.

Auf dem zu Host-Rechner wird die VNC-Server-Software installiert, die Clients greifen über den VNC-Viewer auf den Server zu. Wie bei den Terminaldiensten werden Bildschirmausgaben an die Viewer-Software übermittelt, die den Inhalt des Host-Desktop auf dem Clientrechner darstellt. Der Viewer übermittelt Tastatur- und Maus-/Touchscreeneingaben an die Serversoftware.

Im Gegensatz zu RDP ist das hierbei verwendete RFB-Protokoll (Remote Framebuffer) so ausgelegt, dass die Client-Software (Viewer) für eine möglichst breite Basis unterschiedlicher Plattformen entwickelt werden kann. Über das Protokoll werden demnach bereits die fertigen Bildinformationen in Teilen übertragen und aktualisiert. Datenverschlüsselung und Authentifizierungsmechanismen sind je nach verwendetem VNC-Paket möglich. Viewer und Server verständigen sich hinsichtlich der einzelnen Funktionen auf den kleinsten gemeinsamen Nenner, um die größtmögliche Kompatibilität herzustellen. Da es sich um quelloffene Software handelt, steht eigenen Programmerweiterungen für zusätzliche Sicherheitsfunktionen wie Protokoll- und Sitzungsüberwachung nichts im Wege.

Der Hauptvorteil von VNC gegenüber anderen Remote-Lösungen ist also die Plattformunabhängigkeit, da sowohl Server als auch Viewer für verschiedene Betriebssysteme erhältlich sind. Es ist verhältnismäßig einfach, von einem Linux-Client mit VNC-Viewer oder einem mobilen Gerät mit Java-VNC-Viewer auf einen Windows-Rechner mit VNC-Server zuzugreifen.

Mit einem Windows-Host ist es jedoch nicht möglich, mehrere Benutzersitzungen den Clients zur Verfügung zu stellen. Es wird lediglich der Desktop dupliziert, sodass sich ein VNC-Client in diesem Fall wie eine zusätzliche Bedieneinheit verhält. Diese Lösung eignet sich beispielsweise für ein Haupt- und Nebenbedienfeld an einer Werkzeugmaschine, damit ein Bediener an verschiedenen Positionen komfortabel Eingaben vornehmen kann.

Web-Visualisierung

Durch die zunehmende Verbreitung von Embedded-Webservern in Automatisierungskomponenten und SCADA-Software mit integriertem Webserver bietet sich die Nutzung von schlanken Web-Clients zur Gerätekonfiguration und Visualisierung an.

Anders als in den vorhergehenden Client-Server-Lösungen, in denen nur die verhältnismäßig ressourcensparende Client-Zugangssoftware (ca. 200 bis 300 KB) auf den dezentralen Bedieneinheiten integriert sein muss, sind für Web-Anwendungen clientseitig ein Browser inklusive JavaScript-Unterstützung und eine Java Laufzeitumgebung mit Java Virtual Machine notwendig. Je nach Applikation sind weitere Plugins oder ActiveX-Controls auf dem Client zu installieren.
In Web-Anwendungen werden dementsprechend serverseitig tendenziell geringere Ressourcen benötigt.

Der prinzipielle Ablauf beginnt damit, dass der Browser einen HTTP-Request (Hypertext Transfer Protocol, das verwendete Anwendungsprotokoll) an den Webserver sendet, der daraufhin eine HTML-Seite und zugehörige Header-Informationen mit dem HTTP-Response an den Browser übermittelt. Der Browser bereitet die Daten mit der Rendering Engine unter Berücksichtigung von internen oder referenzierten Formatvorgaben auf und stellt sie am Bildschirm dar. Die HTML-Seite ist statisch und bleibt bis zum nächsten Benutzereingriff unverändert erhalten. Erst ein erneuter HTTP-Request wird den Server veranlassen, eine aktualisierte Version der Seite zu übertragen. Dieser Vorgang ist nach definierbaren Zeitintervallen automatisierbar. Da aber die kompletten Daten der Seite bei jedem Aufruf übertragen und gerendert werden müssen, eignen sich HTML-Seiten nur bedingt zur Darstellung dynamischer Prozessabbildungen.

Diese können beispielsweise mit einem Java-Applet dargestellt werden, das in die HTML-Seite eingebunden ist. Nach Übertragung der Seite lädt der Browser das referenzierte Applet vom angegebenen Server. Das Applet wird vom Browser an die Java Virtual Machine übergeben, übersetzt und ausgeführt. In der Folge kommuniziert das Applet selbständig mit dem Web-Server und aktualisiert die dynamischen Werte innerhalb des Prozessbilds.

Web-Clients eignen sich besonders in Umgebungen, in denen System-Komponenten bereits Webserver oder -services bereithalten. Der Browser ist lizenzkostenfrei, für die Browserbedienung sind im Regelfall keine Schulungsmaßnahmen erforderlich, da die Programme weit verbreitet und akzeptiert sind. Ein intelligenter Web-Client kann so konfiguriert werden, dass der Browser im Vollbildmodus arbeitet und sich automatisch mit dem Web-Server verbindet. Mehrere Web-Clients können gleichzeitig auf einen Web-Server zugreifen und unterschiedliche Prozesse abbilden und bedienen.

Fazit

Moderne Server-Based-Computing-Anwendungen in industriellen Visualisierungsprozessen mit Mehrplatzbedienung ermöglichen für Hersteller und Anwender Einsparungen gegenüber Strukturen mit mehreren, industriellen "Fat Clients". Installations- und Administrationsaufwendungen werden deutlich gesenkt, die einzelnen Clients sind vom Funktionsumfang und Ausstattung kostengünstiger dimensionierbar und beinhalten keine rotierende Teile (Lüfter, Festplatten).

Die Client-Server-Systeme basieren auf etablierten Standards und benötigen - anders als proprietäre Clients - keine lizenzpflichtigen Zusatzprogramme. Konfigurations- und Inbetriebnahmezeiten verkürzen sich erheblich. Nach Anschluss des Ethernet-TCP/IP-Netzwerk sind die Thin Clients sofort einsatzbereit.
Allerdings muss auch eingeräumt werden, dass die Clients komplett von funktionierenden Servern abhängig sind. Es ist daher notwendig, für die maximale Serververfügbarkeit zu sorgen und entsprechende Sicherungs- und Wartungsmaßnahmen durchzuführen und evtl. sogar Redundanzen aufzubauen.