WO2014044298A1 - Verfahren zur durchführung einer verbesserten rechenlastverteilung in einem automatisierungs-system - Google Patents

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WO2014044298A1
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Reiner BÜHLER
Stefan Lüder
Stefan Runde
Andreas Scholz
Frank Volkmann
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Siemens Aktiengesellschaft
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Definitions

  • the automation technology describes the automatic control ⁇ tion, control, monitoring and optimization of technical processes, including all associated engineering processes such as development, planning, design, manufacture, assembly, commissioning, operation and maintenance up to the disposal of automation equipment and systems.
  • Automation technology therefore includes individual industrial components and devices up to complex industrial plants and systems.
  • an automation system abs ⁇ tract as a set of devices (computational nodes, actuators, sensors) are considered, which are interconnected via a network of network nodes.
  • processors with several identical computing cores symmetrical multiprocessor systems
  • the processes to be processed are distributed to the processors / cores by the scheduler in the operating system.
  • this approach requires just ⁇ if a central coordinating body.
  • the publication "access to information and services in a distributed automation system with self-configuring, semantic organization structures" by Drinjakovic, Dino (Dusseldorf: VDI Verl, 2005, ISBN 3-18-505708-2) called. It discloses a P2P system with a method for interconnecting hierarchically structured object clusters, which offers an efficient, automated search for objects in a distributed process control information system. Such a search is available to any interested client on the fly at any time and from any point in the network system. internally abuttable. The required communication connections are not determined a priori, ie not by engineering, but in principle only when required by a search process during operation.
  • the system in particular automation system, for controlling and monitoring a technical process consists of at least the following types of network elements:
  • Compute nodes for performing tasks that serve to monitor the technical process by evaluating the information received from the sensors and control of the actuators.
  • the utilization of a first computing node is monitored during operation.
  • the method for performing an improved computational load distribution in the event of a deviation of the utilization of the first arithmetic node (RK1) defined as permissible carries out the following steps:
  • the monitoring of the computing node can be done by an adjacent network node, which is advantageous in order not to restrict the Rechenka ⁇ capacity of the computing node by monitoring activity on.
  • the deviation from the utilization of the first arithmetic node defined as permissible can be an exceeding of the limit value, wherein the relocation relates to a task which is carried out on the first arithmetic node.
  • the deviation from the utilization of the second arithmetic node, which is defined as permissible falls below the
  • the method for shifting the task is triggered when a malfunction is diagnosed in the computational node by signaling a deviation from the utilization of the first arithmetic node defined as permissible.
  • the determination of the appropriate second adjacent computing nodes in the system is advantageously based on existing (lo gic ⁇ ) communication links and / or based topologies gie information of the real interconnection of network nodes and compute nodes.
  • An advantageous search strategy first follows the existing logical communication links.
  • a higher-order coordination node can continue to be used.
  • FIG. 2 shows the system prior to carrying out the claimed method
  • FIG. 3 shows the system after the movement of a task to another computing node
  • FIG. 4 shows an alternative solution with a central instance.
  • the claimed method and the claimed apparatus are based on a new approach which adopts principles of the so-called service-oriented architecture (SOA).
  • SOA service-oriented architecture
  • a corresponding automation system according to FIG. 1 shows the following properties:
  • the automation solution is formally by automating tasks (corresponding SOA Services) and their Verschal ⁇ processing with each other and with sensors and actuators (as Anbin- dung to a physical process).
  • the above-mentioned sensors Sen and actuators Akt for connection to a physical process, computational nodes RK such as automation stations on which the automation tasks AI, A2, A3, A4 and A5 (in the following: A1..A5) are executed, and network nodes NK1, NK2, which are connected to each other, with sensors / actuators and a maximum of one computational node each, and realize the communication between the automation tasks.
  • the nodes can each be realized as separate devices or combined with other nodes in a device.
  • Topology information for the interconnection of the network nodes NK with one another and on the other network elements present in the system (RK, Sen, Akt)
  • the above-mentioned information can also be provided at a central point in the network, which is associated with a higher storage requirement and an additional effort for consistency assurance, which results in an increased communication volume.
  • a network must ⁇ knots primarily only the connection and capacity utilization know or information of its direct network environment of network nodes through which run the same logical connections.
  • a shift of automation tasks and / or adaptation of communication connections in the described system is usefully initiated by a network node.
  • Darge ⁇ is, the congestion of the connected computing node RK1 to be the triggering criterion.
  • the network node NK2 now searches in his "closer environment" for network nodes that connect a computing node with lower utilization to the network. In doing so, he not only looks for nodes directly connected to him, but preferably follows the existing communication connections (shown here: connections 11, 12, 13 of task A3) of the automation tasks carried out on the overloaded compute node, since then the communication behavior is assumed to be largely constant (search in "directly relevant network areas").
  • an automation task A3 (in addition to others) is created on the arithmetic node RK1
  • A3 For the execution A3 needs as input sensor values of the sensors Senl and Sen2.
  • the logical communication relationships 11, 12 run via the network nodes NK1 and NK2.
  • the output A3 provides a pre reproducing value for the actuator Oh noes, the logical relationship Garunikationsbe ⁇ 13 runs over the network nodes NK2 and NK3.
  • the "directly relevant network area” thus includes the network nodes NK1, NK2 and NK3 (each with attached RK, Sen and Akt).
  • Network node NK2 detects an overload of the connected
  • Computational node RK1 and analyzes which automation tasks are executed there. As a result of a suitable algorithm, it is defined that automation task A3 should be shifted, e.g. Because the computational load caused by it is the smallest load that is greater than the node's overhead.
  • the network node NK2 analyzes the "directly relevant network area" with respect to task A3 and recognizes that the only other computing node RK2 can be reached via network node NK3.
  • Node NK2 further analyzes the "directly relevant network area" with respect to the effects on the communication links that a move from task A3 to Compute node RK2 would have. Result: The logical Kommunikati ⁇ onsdividingen 21, 22 of the sensors and Senl Sen2 to task A3 would be running on the network node NK1 and NK2, NK3 the logical communication link 23 to actuator Upd via the network node. Thus, there is no change for NK1.
  • Network node NK2 analyzes in parallel to the current operation in a forecast / simulation which would follow changes in the loads for itself from a shift from task A3 to computer node RK2.
  • network node NK2 interacts with NK3 and informs it if task A3 can be moved to computing node RK2 with corresponding adaptation of the communication connections.
  • Network node NK3 analyzes on the basis of the information obtained parallel to the current operation in a forecast / simulation ⁇ tion, which changes in the burden for himself would follow from a shift from task A3 to computational node RK2. Likewise, the change in the load of compute nodes RK2 is analyzed by task A3.
  • network node NK3 additionally calculates, in parallel to the current operation in a forecast / simulation, whether the formal requirements of task A3 and its communication connections can also be met after a shift.
  • network node NK3 reports back to network node NK2 that a shift is possible.
  • Network node NK2 then initiates the shift of tasks A3 to computing node RK2 and prepares the adaptation of the communication connections.
  • Network node NK3 prepares the shift V of task A3 and the adaptation of the communication links (11 to 21, 12 to 22, 13 to 23).
  • the displacement V is performed.
  • Network node NK2 reports to network node NK1 the changes made to the communication relationships.
  • a congestion of a communication link will be treated similarly, except that in each case the changes here Kommunikati ⁇ ons and possibly a deeper search in the network topology must take place in until a suitable, the
  • a device which diagnoses a malfunction (per se), achieve by constantly reporting an overload that all automation tasks or communication links are transferred to other devices and the device can be easily replaced.
  • a criterion too low utilization of a node ie no or only a few automation tasks are performed on a compute node or a few communication links run via a network node.
  • the node would then offer its capacity to its neighboring nodes in the network, so that these automation ⁇ tasks / communication links transmitted to him.
  • a corresponding automation ⁇ insurance system can ER- additional devices during operation be extended without the need for replanning.
  • Search strategies may possibly be implemented further scenarios in a distributed, service-oriented system, all of which follow the basic scheme shown above:
  • dedicated coordination nodes KK can also be provided in the network, which take over one or more of the following tasks, see FIG. 4:
  • the advantage of the described method and the device lies in particular in the realization of an optimization without such a central instance or data storage.
  • An environmental configuration can be performed as needed and with locally be ⁇ marginalized impact during operation so without an overall description of the system must keep constantly consignment ⁇ stent with the actual condition and without causing a similarly high as for building re-planning.
  • the additional network load necessary for obtaining information and ensuring the consistency of central data storage is thus avoided.
  • a corresponding automation system uses the properties described a distributed automation system according to SOA principles then fully off when there is a possibility flexible at runtime outer ⁇ nde ⁇ approximately supplies and recognized overload and fault conditions to react.

Abstract

Heutige Automatisierungs-Systeme arbeiten meist mit gerätespezifischen Beschreibungen der Automatisierungsaufgaben bzw. mit einer festen Zuordnung von Aufgaben zu Geräten und/oder folgen einem zentralistischen Ansatz. In einem solchen System ergibt sich nun die Fragestellung, wie eine optimale Verteilung der Automatisierungsaufgaben auf die Geräte auf Basis definierter Kriterien erreicht werden kann (insbesondere Netzwerklast und Auslastung der Rechenknoten) bzw. wie zur Laufzeit eine Überlastung einzelner Geräte korrigiert werden kann. Mit dem Verfahren und der Vorrichtung soll daher eine Umkonfiguration und Optimierung der Verteilung der Automatisierungsaufgaben und ihrer Kommunikationsverbindungen auf Geräte zur Laufzeit erreicht werden unter besonderer Berücksichtigung der dann zur Verfügung stehenden, messbaren Auslastungsdaten. Diese wird dezentral "aus dem System heraus" initiiert und durchgeführt. Dabei wird von einem bereits weitgehend geeignet konfigurierten System ausgegangen und gezielt entlang bestehender Verbindungen nach Alternativen gesucht.

Description

Beschreibung
Verfahren zur Durchführung einer verbesserten Rechenlastverteilung in einem Automatisierungs-System
Die Automatisierungstechnik beschreibt die selbsttätige Steu¬ erung, Regelung, Überwachung und Optimierung technischer Prozesse einschließlich aller dazu gehörenden Engineeringprozesse wie Entwicklung, Planung, Konstruktion, Herstellung, Mon- tage, Inbetriebnahme, Betriebsführung und Wartung bis hin zur Entsorgung von automatisierungstechnischen Geräten und Anlagen. Zur Automatisierungstechnik zählen daher einzelne industrielle Komponenten und Geräte bis zu komplexen industriellen Anlagen und Systemen.
Im Folgenden soll ein automatisierungstechnisches System abs¬ trakt als eine Reihe von Geräten (Rechenknoten, Aktoren, Sensoren) betrachtet werden, die untereinander über ein Netzwerk von Netzknoten verbunden sind.
Heutige Automatisierungs-Systeme arbeiten meist mit geräte¬ spezifischen Beschreibungen der Automatisierungsaufgaben bzw. mit einer festen Zuordnung von Aufgaben zu Geräten und/oder folgen einem zentralistischen Ansatz. In einem solchen System ergibt sich nun die Fragestellung, wie eine optimale Vertei¬ lung der Automatisierungsaufgaben auf die Geräte auf Basis definierter Kriterien erreicht werden kann (insbesondere Netzwerklast und Auslastung der Rechenknoten) bzw. wie zur Laufzeit eine Überlastung einzelner Geräte korrigiert werden kann.
Zum Zeitpunkt der Planung kann eine erste optimierte Vertei¬ lung nur auf der Basis von Annahmen durchgeführt werden.
Im realen Betrieb ("zur Laufzeit") eines entsprechenden Auto¬ matisierungstechnischen Systems treten aber oft unvorhergese- hene Zustände oder spätere Änderungen der Aufgaben bezie¬ hungsweise der eingesetzten Geräte auf. Stand der Technik
In anderen Fachgebieten treten ähnliche Fragestellungen auf: beispielsweise wenn viele Clients gleichzeitig Zugriff auf einen Server (eine Ressource wie z.B. eine Webseite, eine Datenbank oder eine web-basierte Anwendung) erhalten wollen. Hier wird das Problem meist durch sog. "Load Balancing" gelöst, d. h. ein einzelner sogenannter "Proxy-Rechner" nimmt die Anfragen entgegen und verteilt sie auf mehrere Server, die die Anfragen dann bearbeiten. Dieser Ansatz erfordert eine zentrale, koordinierende Instanz.
Bei Prozessoren mit mehreren gleichartigen Rechenkernen (Symmetrische Multiprozessorsysteme) werden durch den Scheduler im Betriebssystem die abzuarbeitenden Prozesse auf die Prozessoren/Kerne verteilt. Dieser Ansatz erfordert also eben¬ falls eine zentrale, koordinierende Instanz.
Im Bereich der Informatik existieren allgemein Algorithmen zur Optimierung der Verteilung von Aufgaben auf Ressourcen, die aber meist nur in einer Vorab-Planung Anwendung finden.
Im akademischen Umfeld werden verteilte Automatisierungssys¬ teme diskutiert, beispielsweise im Kontext der Norm IEC
61499, die ein Referenzmodell für solche verteilten Automati¬ sierungssysteme angibt, oder im Kontext der Selbstkonfigura¬ tion von Systemen und Anlagen.
Exemplarisch wird hier die Veröffentlichung "Zugriff auf Informationen und Dienste in einem verteilten Automatisierungs- System mit selbstkonfigurierenden, semantischen Ordnungsstrukturen" von Drinjakovic, Dino (Düsseldorf: VDI-Verl, 2005, ISBN 3-18-505708-2) genannt. Aus ihr ist ein P2P-System mit einem Verfahren zur Vernetzung hierarchisch strukturierter Obj ektcluster bekannt, welches eine effiziente, automati- sierte Suche nach Objekten in einem verteilten, leittechnischen Informationssystem anbietet. Eine solche Suche ist von jedem interessierten Client im laufenden Betrieb zu jedem Zeitpunkt und von jedem beliebigen Punkt im Netzwerk System- intern anstoßbar. Die erforderlichen Kommunikationsverbindungen werden nicht a priori, d. h. nicht per Engineering festgelegt, sondern prinzipiell erst bei Bedarf durch einen Suchvorgang im laufenden Betrieb hergestellt.
Es ist Aufgabe der Erfindung, ein Verfahren anzugeben für eine optimale Verteilung von Automatisierungsaufgaben in einem System während der Laufzeit des Systems. Weiterhin ist es Aufgabe, eine Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens anzugeben .
Darstellung der Erfindung
Die Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst durch die Merkmale der Patentansprüche 1 und 8.
Das System, insbesondere Automatisierungssystem, zur Steuerung und Überwachung eines technischen Prozesses, besteht aus zumindest folgenden Typen von Netzelementen:
- Sensoren zur Gewinnung von Informationen über den zumindest einen technischen Prozess,
- Aktoren zur Beeinflussung der Durchführung des zumindest einen technischen Prozesses,
- Netzknoten zur Durchführung einer Datenübertragung zwischen den Netzelementen und
- Rechenknoten zur Durchführung von Aufgaben die der Überwachung des technischen Prozesses durch Auswertung der von den Sensoren erhaltenen Informationen und Steuerung der Aktoren dienen. Die Auslastung eines ersten Rechenknotens wird dabei im laufenden Betrieb überwacht.
Das Verfahren zur Durchführung einer verbesserten Rechenlastverteilung bei einer Abweichung der als zulässig definierten Auslastung des ersten Rechenknotens (RK1) führt folgende Schritte durch:
Ermitteln eines geeigneten zweiten benachbarten Rechenknoten im System,
Analyse aller auf dem ersten oder zweiten Rechenknoten ausgeführten Aufgaben, Auswahl einer zur Verschiebung geeigneten Aufgabe, Ermitteln der für die Ausführung der Aufgabe relevanten Kommunikationsverbindungen zu weiteren Netzelementen im System, Verschiebung der Aufgabe auf den ermittelten ersten oder zweiten Rechenknoten, und
Anpassung der relevanten Kommunikationsverbindungen.
Weitere Ausführungsbeispiele sind in den Unteransprüchen an¬ gegeben .
Die Überwachung des Rechenknotens kann durch einen benachbarten Netzknoten erfolgt, was vorteilhaft ist um die Rechenka¬ pazität des Rechenknotens nicht durch Überwachungstätigkeit weiter einzuschränken.
Sinnvollerweise wird das Auslösen des Verfahrens zur Rechen¬ lastverteilung durch den benachbarten Netzknoten durchgeführt .
Die Abweichung von der als zulässig definierten Auslastung des ersten Rechenknotens kann eine Überschreitung des Grenz- wertes sein, wobei die Verlagerung eine Aufgabe betrifft, die auf dem ersten Rechenknoten ausgeführt wird. Alternativ dazu wird die Abweichung von der als zulässig definierten Auslastung des zweiten Rechenknotens eine Unterschreitung des
Grenzwertes sein und die Verlagerung betrifft eine Aufgabe, die auf einem ersten Rechenknoten ausgeführt wird.
In einer vorteilhaften Ausführungsform wird das Verfahren zur Verlagerung der Aufgabe ausgelöst, wenn eine Fehlfunktion in dem Rechenknoten diagnostiziert wird, indem eine Abweichung von der als zulässig definierten Auslastung des ersten Rechenknotens signalisiert wird.
Vor Verschiebung der Aufgabe kann eine Simulation der Auswirkungen der Verschiebung durchgeführt werden.
Die Ermittlung des geeigneten zweiten benachbarten Rechenknoten im System wird vorteilhafterweise anhand bestehender (lo¬ gischer) Kommunikationsverbindungen und / oder anhand Topolo- gie-Informationen der realen Verschaltung der Netzknoten und Rechenknoten erfolgen. Eine vorteilhafte Suchstrategie folgt dabei zuerst den bestehenden logischen Kommunikationsverbindungen .
Zur Überwachung der Auslastung der im System vorhandenen Rechenknoten kann in einer alternativen Ausführungsform weiterhin ein übergeordneter Koordinationsknoten verwendet werden.
Kurzbeschreibung der Zeichnungen
Im Folgenden wird die Erfindung anhand von Ausführungsbei¬ spielen erläutert. Dabei zeigen
Figur 1 den grundsätzlichen Aufbau eines Automatisierungssys¬ tems mit den beschriebenen Netzelementen,
Figur 2 das System vor der Durchführung des beanspruchten Verfahrens ,
Figur 3 das System nach der Verschiebung einer Aufgabe auf einen weiteren Rechenknoten, und
Figur 4 eine Alternativlösung mit einer zentralen Instanz.
Im Gegensatz zu den heute bekannten Automatisierungs-Systemen liegt dem beanspruchten Verfahren und der beanspruchten Vorrichtung ein neuer Ansatz zu Grunde, der Prinzipien der sogenannten Serviceorientierten Architektur (SOA) übernimmt.
Ein entsprechendes Automatisierungs-System gemäß Figur 1 zeigt folgende Eigenschaften:
• Die Automatisierungslösung wird formal durch Automatisierungsaufgaben (entsprechend SOA Services) und ihre Verschal¬ tung untereinander und mit Sensoren und Aktoren (als Anbin- dung an einen physikalischen Prozess) beschrieben.
• Zur Ausführung werden diese Automatisierungsaufgaben auf einer Reihe von Geräten gebracht, die durch ein gemeinsames Netzwerk verbunden sind. Es handelt sich somit um ein dezentrales, verteiltes System. • In Bezug auf die Geräte lassen sich vier unterschiedliche Funktionalitäten unterscheiden:
Die oben bereits genannten Sensoren Sen und Aktoren Akt zur Anbindung an einen physikalischen Prozess, Rechenknoten RK wie beispielsweise Automatisierungsstationen, auf denen die Automatisierungsaufgaben AI, A2, A3, A4 und A5 (im Folgenden kurz: A1..A5) ausgeführt werden, und Netzknoten NK1, NK2, die miteinander, mit Sensoren/Aktoren und maximal mit jeweils einem Rechenknoten verbunden sind und die Kommunikation zwi- sehen den Automatisierungsaufgaben realisieren. Die Knoten können jeweils als separate Geräte realisiert werden oder mit anderen Knoten in einem Gerät zusammengefasst werden.
Die Beschränkung auf einen Rechenknoten pro Netzknoten dient dabei zur Vereinfachung der nachfolgenden Beschreibung - es werden also gedanklich alle am gleichen Netzknoten angeschlossenen Rechenknoten als ein einziger Rechenknoten zusammengefasst .
• Die Zuordnung, welche Automatisierungsaufgabe auf welchem Gerät (Rechenknoten) ausgeführt wird, ist dabei im allgemei- nen Fall frei wählbar, solange keine direkten technischen Abhängigkeiten zwischen Automatisierungsaufgabe und Gerät be¬ stehen .
In einem solchen System ergibt sich nun die Fragestellung, wie eine optimale Verteilung der Automatisierungsaufgaben A1..A5 auf die Geräte auf Basis definierter Kriterien er¬ reicht werden kann (insbesondere Netzwerklast und Auslastung der Rechenknoten) bzw. wie zur Laufzeit eine Überlastung einzelner Geräte korrigiert werden kann.
Zum Zeitpunkt der Planung kann eine erste optimierte Vertei¬ lung nur auf der Basis von Annahmen durchgeführt werden.
Im realen Betrieb ("zur Laufzeit") eines entsprechenden Auto¬ matisierungstechnischen Systems treten aber oft unvorhergesehene Zustände oder spätere Änderungen der Aufgaben bezie- hungsweise der eingesetzten Geräte auf.
Mit dem anmeldungsgemäßen Verfahren und der Vorrichtung soll daher eine Umkonfiguration und Optimierung der Verteilung der Automatisierungsaufgaben und ihrer Kommunikationsverbindungen auf Geräte zur Laufzeit erreicht werden unter besonderer Be¬ rücksichtigung der dann zur Verfügung stehenden, messbaren Auslastungsdaten. Diese wird dezentral "aus dem System her- aus" initiiert und durchgeführt.
Dabei wird von einem bereits weitgehend geeignet konfigurier¬ ten System ausgegangen und gezielt entlang bestehender Verbindungen nach Alternativen gesucht. Im Gegensatz zu bereits bekannten Verfahren im Kontext der "Service-Orientierung", wird nicht die Engineering-Phase im Rahmen des Anlagen-Lebenszyklus sondern die Betriebsphase ad¬ ressiert . In dem beschriebenen System werden die Netzknoten NK1, NK2 mit der Möglichkeit ausgestattet, zur Laufzeit alle relevan¬ ten begrenzenden Faktoren zu erfassen, z. B.:
• Auslastungsgrad der Kommunikationsverbindungen zwischen den Netzknoten NK bezüglich maximaler Übertragungskapazität und Latenzzeiten.
• Auslastungsgrad der angeschlossenen Rechenknoten RK hinsichtlich Rechenzeit, Arbeitsspeicher, etc.
• die reale Belastung, die durch jede Automatisierungsaufgabe A1..A5 auf dem jeweiligen Rechenknoten RK verursacht wird . · die reale Belastung, die durch jede logische Kommunikati¬ onsverbindung auf den betroffenen Netzknoten bzw. - Verbindungen verursacht wird.
Zusätzlich müssen folgende weitere Informationen zugreifbar sein:
• Anforderungen der jeweils relevanten Automatisierungsaufga¬ ben bezüglich Speicher- und Rechenzeitbedarf, zulässige/geforderte Verarbeitungszyklen, ...
• Topologie-Informationen zur Verschaltung der Netzknoten NK untereinander und zu den weiteren im System vorhandenen Netzelementen (RK, Sen, Akt)
• Logische Kommunikations-Verbindungen zwischen Automatisierungsaufgaben, deren zulässige Zyklus- und Latenzzeiten sowie die derzeitige Realisierung, d. h. den Verlauf über real vor¬ handene Netzknoten und ihre Verbindungen.
Die oben genannten Informationen können auch an einer zentra- len Stelle im Netz bereitgestellt werden, dies ist mit einem höheren Speicherbedarf und einem zusätzlichen Aufwand zur Konsistenzsicherung verbunden, der ein erhöhtes Kommunikationsaufkommen zur Folge hat. Geht man von einem weitgehend op¬ timierten Ausgangssystem mit minimierten Verbindungswegen aus, so sind Verschiebungen von Automatisierungsaufgaben bevorzugt auf Rechenknoten in der "näheren Umgebung" bezogen auf die Netzwerktopologie zu erwarten. Somit muss ein Netz¬ knoten primär nur die Verbindungs- und Auslastungs- Informationen seiner direkten Netzwerkumgebung kennen bzw. von Netzknoten , über welche die gleichen logischen Verbindungen laufen.
Für eine übergreifende/globale Optimierung sind gegebenen¬ falls weitere Netzbereiche bis hin zum Gesamtnetz relevant, die Beschränkungen auf die direkte Netzwerkumgebung kann dann nicht mehr ausgenutzt werden.
Initiiert wird eine Verschiebung von Automatisierungsaufgaben und/oder Anpassung von Kommunikationsverbindungen im be- schriebenen System sinnvollerweise von einem Netzknoten. Im folgenden Beispiel, welches in den Figuren 2 und 3 darge¬ stellt ist, soll die Überlastung des angeschlossenen Rechenknotens RK1 das auslösende Kriterium sein. Der Netzknoten NK2 sucht jetzt in seiner "näheren Umgebung" nach Netzknoten, die einen Rechenknoten mit geringerer Auslastung ans Netz anbinden. Dabei sucht er nicht nur bei direkt mit ihm verbundenen Knoten, sondern folgt bevorzugt den bestehenden Kommunikationsverbindungen (hier gezeigt: Verbindungen 11, 12, 13 der Aufgabe A3) der auf dem überlasteten Rechenknoten ausgeführ- ten Automatisierungsaufgaben, da dann von weitgehend gleich bleibendem Kommunikationsverhalten ausgegangen werden kann (Suche in "direkt relevanten Netzbereichen"). Ist ein passendes Ziel für eine der Automatisierungsaufgaben (hier: A3) ge- funden, treten die von der Verschiebung betroffenen Netzknoten NK2, NK3 in Interaktion, um eine reibungslose Verschie¬ bung dieser Automatisierungsaufgabe vorzubereiten und durchzuführen. Während dieser Interaktion werden entsprechend die oben genannten Faktoren und Informationen berücksichtigt.
Durch geeignete Realisierung ist die Möglichkeit vorzusehen, eine Umkonfiguration auch im laufenden Betrieb durchführen zu können - eine entsprechende Interaktion soll im Folgenden ex- emplarisch im Detail dargestellt werden.
AusgangsSituation :
In einem verteilten Automatisierungssystem zur Steuerung eines technischen Prozesses gemäß Figur 2 wird auf dem Rechen- knoten RK1 eine Automatisierungsaufgabe A3 (neben weiteren
Automatisierungsaufgaben) ausgeführt. Zur Ausführung benötigt A3 als Eingabe Sensorwerte der Sensoren Senl und Sen2. Die logischen Kommunikationsbeziehungen 11, 12 laufen dabei über die Netzknoten NK1 und NK2. Als Ausgabe liefert A3 einen Vor- gabewert für den Aktor Aktl, die logische Kommunikationsbe¬ ziehung 13 läuft dabei über die Netzknoten NK2 und NK3.
Der "direkt relevante Netzwerkbereich" umfasst somit die Netzknoten NK1, NK2 und NK3 (mit jeweils anhängenden RK, Sen und Akt) .
Netzknoten NK2 erkennt eine Überlastung des angeschlossenen
Rechenknotens RK1 und analysiert, welche Automatisierungsauf¬ gaben dort ausgeführt werden. Als Ergebnis eines geeigneten Algorithmus wird definiert, dass Automatisierungsaufgabe A3 verschoben werden soll, z. B. weil die durch sie verursachte Rechenbelastung die kleinste Belastung ist, die größer ist als die Überlast des Knotens.
Der Netzknoten NK2 analysiert den "direkt relevanten Netzwerkbereich" bezüglich Aufgabe A3 und erkennt, dass der einzige weitere Rechenknoten RK2 über Netzknoten NK3 erreichbar ist.
Netzknoten NK2 analysiert weiterhin den "direkt relevanten Netzwerkbereich" bezüglich der Auswirkungen auf die Kommunikationsverbindungen, die eine Verschiebung von Aufgabe A3 auf Rechenknoten RK2 hätte. Ergebnis: Die logischen Kommunikati¬ onsbeziehungen 21, 22 der Sensoren Senl und Sen2 zu Aufgabe A3 würden dabei über die Netzknoten NK1 und NK2 laufen, die logische Kommunikationsbeziehung 23 zu Aktor Aktl über den Netzknoten NK3. Somit ergibt sich keine Änderung für NK1. Netzknoten NK2 analysiert parallel zum laufenden Betrieb in einer Vorausschau / Simulation, welche Änderungen der Belastungen für sich selbst aus einer Verschiebung von Aufgabe A3 auf Rechnerknoten RK2 folgen würden.
Netzknoten NK2 tritt bei positivem Ergebnis der Simulation darauf hin in Interaktion zu NK3 und teilt ihm die Anfrage mit, ob Aufgabe A3 auf Rechenknoten RK2 verschoben werden kann mit entsprechender Anpassung der Kommunikationsverbindungen .
Dabei werden neben den formalen Anforderungen von Aufgabe A3 und ihrer Kommunikationsverbindungen auch die aktuell auf Netzknoten NK2 gemessenen Belastungen bezüglich der relevanten Kommunikationsverbindungen sowie die aktuell auf Rechenknoten RK1 gemessenen Belastungen durch die Ausführung von Aufgabe A3 mitgeteilt.
Netzknoten NK3 analysiert auf Basis der erhaltenen Angaben parallel zum laufenden Betrieb in einer Vorausschau / Simula¬ tion, welche Änderungen der Belastungen für ihn selbst aus einer Verschiebung von Aufgabe A3 auf Rechenknoten RK2 folgen würden. Ebenso wird die Änderung der Belastung von Rechenknoten RK2 durch Aufgabe A3 analysiert.
Bei positivem Ergebnis berechnet Netzknoten NK3 parallel zum laufenden Betrieb in einer Vorausschau / Simulation zusätzlich, ob die formalen Anforderungen von Aufgabe A3 und ihrer Kommunikationsverbindungen auch nach einer Verschiebung erfüllt werden können.
Bei positivem Ergebnis meldet Netzknoten NK3 an Netzknoten NK2 zurück, dass eine Verschiebung möglich ist.
Netzknoten NK2 initiiert darauf hin die Verschiebung von Auf- gäbe A3 auf Rechenknoten RK2 und bereitet die Anpassung der Kommunikationsverbindungen vor. Netzknoten NK3 bereitet die Verschiebung V von Aufgabe A3 und die Anpassung der Kommunikationsverbindungen (11 zu 21, 12 zu 22, 13 zu 23) vor.
In direkter Kooperation der Netzknoten NK2 und NK3 wird die Verschiebung V durchgeführt.
Netzknoten NK2 meldet an Netzknoten NK1 die vorgenommenen Änderungen an den Kommunikationsbeziehungen.
Anschließend ist der in Figur 3 gezeigte Zustand erreicht. Neben dem hier gezeigten "Gutfall" müssen weitere Vorgehens¬ weisen definiert werden, wie bei negativen Rückmeldungen zu verfahren ist, bzw. wenn im "direkt relevanten Netzwerkbereich" keine weiteren Rechenknoten gefunden werden. Ebenso muss die Situation abgefangen werden, dass zwei Netzknoten im gleichen "direkt relevanten Netzwerkbereich" gleichzeitig eine Verschiebung initiieren.
Eine Überlastung einer Kommunikationsverbindung wird ähnlich behandelt, nur dass sich hier in jedem Fall das Kommunikati¬ onsverhalten ändert und ggf. eine tiefere Suche in die Netz- topologie hinein stattfinden muss, bis eine geeignete, den
Automatisierungsaufgaben-Anforderungen genügende Konfiguration gefunden wird.
Als weitere Anwendung dieser Funktionalität kann ein Gerät (Rechenknoten oder Netzknoten) , welches eine Fehlfunktion (an sich) diagnostiziert, durch ständiges Melden einer Überlast erreichen, dass alle Automatisierungsaufgaben bzw. Kommunikationsverbindungen auf andere Geräte übertragen werden und das Gerät somit problemlos getauscht werden kann.
Umgekehrt kann als Kriterium auch eine zu geringe Auslastung eines Knotens definiert werden, d. h. keine oder nur wenige Automatisierungsaufgaben werden auf einem Rechenknoten ausgeführt bzw. wenige Kommunikationsverbindungen laufen über einen Netzknoten. Der Knoten würde dann seine Kapazität seinen Nachbarknoten im Netz anbieten, damit diese Automatisierungs¬ aufgaben/Kommunikationsverbindungen auf ihn übertragen. Mit dieser Funktionalität kann ein entsprechendes Automatisie¬ rungs-System im laufenden Betrieb um zusätzliche Geräte er- weitert werden, ohne dass hierfür eine Neuplanung erforderlich ist.
Durch Auswahl der geeigneten Kriterien und Lösungs- bzw.
Such-Strategien können ggf. noch weitere Szenarien in einem verteilten, serviceorientierten System umgesetzt werden, die alle dem oben gezeigten Grundschema folgen:
• Initiierung durch direkt betroffenen Netzknoten,
• Suche in "benachbarten" / "direkt relevanten" Netzbereichen, · Interaktion mit betroffenen Knoten und
• Verschiebung von Automatisierungsaufgaben bzw. Kommunikationsverbindungen .
Als abgewandelte Ausführung können entgegen der oben darge- stellten Ausführungen auch dedizierte Koordinationsknoten KK im Netz vorgesehen werden, die eine oder mehrere der folgenden Aufgaben übernehmen, siehe Figur 4:
• Überwachung der Auslastungszustände von Rechenknoten
· Überwachung der Auslastungszustände von Netzknoten
• Überwachung der Geräte bezüglich Ausfall oder Fehlfunktion
• Bereitstellung von Topologieinformationen des gesamten Netzes oder von begrenzten Netzbereichen
• Bereitstellung von Zuweisungslisten von Automatisierungs- aufgaben auf Rechenknoten
• Koordination der Verschiebung von Automatisierungsaufgaben auf andere Rechenknoten
• Koordination der Verlagerung von Kommunikationsverbindungen auf andere physikalische Netzknoten-Verbindungen
· Übergreifende Optimierung der Auslastungszustände von Re¬ chenknoten
• Übergreifende Optimierung der Auslastungszustände von Netz¬ knoten Diese Aufgaben können dabei entweder von einem einzigen, zentralen Koordinationsknoten KK im Netz durchgeführt werden oder von mehreren, im Netz verteilten Koordinationsknoten. Welche Verteilung der Koordinationsknoten im Netz anzustreben ist, hängt dabei von der Netztopologie ab und von der Aufga¬ benverteilung zwischen den Koordinationsknoten.
Der Vorteil des beschriebenen Verfahrens und der Vorrichtung liegt aber insbesondere in der Realisierung einer Optimierung ohne eine solche zentrale Instanz bzw. Datenhaltung. Eine Um- konfiguration kann damit bedarfsgerecht und mit lokal be¬ grenzten Auswirkungen im laufenden Betrieb durchgeführt werden, ohne eine Gesamtbeschreibung des Systems ständig konsi¬ stent mit dem Ist-Zustand halten zu müssen und ohne einen ähnlich hohen Aufwand wie bei der Neuplanung zu verursachen. Ebenso wird damit die für die Informationsgewinnung und Konsistenzsicherung einer zentralen Datenhaltung nötige, zusätzliche Netzwerkbelastung vermieden. Ein entsprechendes Automatisierungs-System nutzt somit die geschilderten Eigenschaften eines verteilten Automatisierungssystems nach SOA-Prinzipien dann voll aus, wenn eine Möglichkeit besteht, zur Laufzeit flexibel auf äußeren Ände¬ rungsbedarf und erkannte Überlastungs- und Fehlerzustände zu reagieren.
Es wurde gezeigt, wie aus dem System heraus durch relativ einfache Regeln und Abläufe eine zielgerichtete Umkonfigura- tion und Optimierung der Verteilung von Automatisierungsaufgaben und ihrer Kommunikationsverbindungen auf Geräte zur Laufzeit realisiert werden kann.

Claims

Patentansprüche
1. Verfahren zur Durchführung einer verbesserten Rechenlastverteilung in einem System, insbesondere einem Automati- sierungssystem, zur Steuerung und Überwachung eines technischen Prozesses, wobei das System aus zumindest folgen¬ den Typen von Netzelementen besteht:
- Sensoren (Sen) zur Gewinnung von Informationen über den zumindest einen technischen Prozess,
- Aktoren (Akt) zur Beeinflussung der Durchführung des zumindest einen technischen Prozesses,
- Netzknoten (NK) zur Durchführung einer Datenübertragung
zwischen den Netzelementen und
- Rechenknoten (RK) zur Durchführung von Aufgaben die der
Überwachung des technischen Prozesses durch Auswertung der von den Sensoren (Sen) erhaltenen Informationen und Steuerung der Aktoren (Akt) dienen, wobei
die Auslastung eines ersten Rechenknotens (RK1) im laufenden Betrieb überwacht wird und
bei einer Abweichung von der als zulässig definierten Auslastung des ersten Rechenknotens (RK1) folgende Schritte durchgeführt werden:
a) Ermitteln eines geeigneten zweiten benachbarten Rechenknotens (RK2) im System,
b) Analyse aller auf dem ersten Rechenknoten (RK1) ausgeführten Aufgaben (AI, A2, A3) sowie aller auf dem zweiten Rechenknoten (RK2) ausgeführten Aufgaben (A4, A5) ,
c) Auswahl einer zur Verschiebung geeigneten Aufgabe (A3, A5) ,
d) Ermittlung der für die Ausführung der Aufgabe (A3) relevanten Kommunikationsverbindungen (11, 12, 13) zu weiteren Netzelementen (Senl, Sen2, Aktl) im System,
e) Verschiebung (V) der Aufgabe auf den ermittelten ersten oder zweiten Rechenknoten (RK1, RK2), und
f) Anpassung der relevanten Kommunikationsverbindungen (11, 21, 12, 22, 13, 23) .
2. Verfahren nach Patentanspruch 1,
dadurch gekennzeichnet, dass
die Überwachung des Rechenknotens (RK1) durch einen benachbarten Netzknoten (NK2) erfolgt.
3. Verfahren nach Patentanspruch 1 oder 2,
dadurch gekennzeichnet, dass
das Auslösen des Verfahrens zur Rechenlastverteilung durch den benachbarten Netzknoten (NK2) erfolgt.
4. Verfahren nach einem der vorherigen Patentansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass
die Abweichung von der als zulässig definierten Auslastung des ersten Rechenknotens (RK1) eine Überschreitung des Grenzwertes ist und die Verlagerung eine Aufgabe (A3) be¬ trifft, die auf dem ersten Rechenknoten (RK1) ausgeführt wird .
5. Verfahren nach einem der Patentansprüche 1 bis 3,
dadurch gekennzeichnet, dass
die Abweichung von der als zulässig definierten Auslastung des zweiten Rechenknotens (RK2) eine Unterschreitung des Grenzwertes ist und die Verlagerung eine Aufgabe (A3) be¬ trifft, die auf einem ersten Rechenknoten (RK1) ausgeführt wird
6. Verfahren nach einem der vorherigen Patentansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass
das Verfahren zur Verlagerung (V) der Aufgabe (A3) ausgelöst wird, indem eine Abweichung von der als zulässig definierten Auslastung des ersten Rechenknotens (RK1) signalisiert wird wenn eine Fehlfunktion in dem Rechenknotens (RK1) di¬ agnostiziert wird.
7. Verfahren nach einem der vorherigen Patentansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass
vor Verschiebung (V) der Aufgabe eine Simulation der Auswirkungen der Verschiebung durchgeführt wird.
8. Verfahren nach einem der vorherigen Patentansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass
die Ermittlung des geeigneten zweiten benachbarten Rechenknoten (RK2) im System anhand bestehender logischer Kommunikationsverbindungen (11, 12, 13) und / oder anhand Topolo- gie-Informationen der realen Verschaltung der Netzknoten (NK1, NK2, NK3) und Rechenknoten (RK1, RK2) erfolgt.
9. Verfahren nach einem der vorherigen Patentansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass
zur Überwachung der Auslastung der im System vorhandenen Rechenknoten (RK1, RK2) ein übergeordneter Koordinationsknoten (KK) verwendet wird.
10. Vorrichtung (RK1, KK) zur Durchführung eines Verfahrens zur verbesserten Rechenlastverteilung in einem System, insbesondere einem Automatisierungssystem, das zur Steuerung und Überwachung eines technischen Prozesses verwendet wird, wobei das System aus zumindest folgenden Typen von Netzelementen besteht:
- Sensoren (Sen) zur Gewinnung von Informationen über den zumindest einen technischen Prozess,
- Aktoren (Akt) zur Beeinflussung der Durchführung des zumindest einen technischen Prozesses,
- Netzknoten (NK) zur Durchführung einer Datenübertragung
zwischen den Netzelementen und
- Rechenknoten (RK) zur Durchführung von Aufgaben die der
Überwachung des technischen Prozesses durch Auswertung der von den Sensoren (Sen) erhaltenen Informationen und Steuerung der Aktoren (Akt) dienen, wobei die Vorrichtung
- Mittel zur Überwachung der Auslastung zumindest eines ersten Rechenknotens (RK1) im laufenden Betrieb hat und
- Mittel zur Durchführung eines der Verfahren der Patentansprüche 1 bis 7, sobald durch die Überwachung eine Abwei¬ chung der als zulässig definierten Auslastung eines Rechenknotens (RK1) festgestellt wird, - Mittel zur Ermittlung eines geeigneten zweiten benachbarten
Rechenknoten (RK2) im System,
- Mittel zur Analyse aller auf dem ersten oder zweiten Rechenknoten (RK1, RK2) ausgeführten Aufgaben (A1..A5), - Mittel zur Auswahl einer zur Verschiebung geeigneten Aufgabe (A3),
- Mittel zur Ermittlung der für die Ausführung der Aufgabe
(A3) relevanten Kommunikationsverbindungen (11, 12, 13) zu weiteren Netzelementen (Senl, Sen2, Aktl) im System, - Mittel zur Verschiebung (V) der Aufgabe auf den ermittelten ersten oder zweiten Rechenknoten (RK1, RK2), und
- Mittel zur Anpassung der relevanten Kommunikationsverbindungen (11, 21, 12, 22, 13, 23) .
11. Vorrichtung gemäß Patentanspruch 10,
dadurch gekennzeichnet, dass
die Abweichung von der als zulässig definierten Auslastung des ersten Rechenknotens (RK1) eine Überschreitung des Grenzwertes ist und die Verlagerung eine Aufgabe (A3) be- trifft, die auf dem ersten Rechenknoten (RK1) ausgeführt wird .
12. Vorrichtung gemäß Patentanspruch 10,
dadurch gekennzeichnet, dass
die Abweichung von der als zulässig definierten Auslastung des zweiten Rechenknotens (RK2) eine Unterschreitung des Grenzwertes ist und die Verlagerung eine Aufgabe (A3) be¬ trifft, die auf einem ersten Rechenknoten (RK1) ausgeführt wird
13. Vorrichtung gemäß einem der Patentansprüche 10 bis 12, dadurch gekennzeichnet, dass
die Vorrichtung weitere Mittel aufweist zur Diagnose von
Fehlfunktionen in einem Rechenknoten und das Verfahren zur Verlagerung (V) der Aufgabe (A3) ausgelöst wird, wenn eine Abweichung von der als zulässig definierten Auslastung des ersten Rechenknotens (RK1) signalisiert wird wenn eine Fehlfunktion in dem Rechenknoten (RK1) vorliegt .
14. Vorrichtung gemäß einem der Patentansprüche 10 bis 13, dadurch gekennzeichnet, dass
die Vorrichtung weitere Mittel aufweist zur Simulation der Auswirkungen der Verschiebung vor Verschiebung (V) der Aufgabe .
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