Industrial Linux – Multiprozess-Realtime Systeme in der Praxis

In der Welt der industriellen Steuerungssysteme gilt Echtzeit-Linux oder Linux mit PREEMPT-RT Patch derzeit als „stabil etabliert“. Deren Einsatz bietet zahlreiche Vorteile hinsichtlich Skalierbarkeit, Flexibilität, Offenheit sowie Kosteneffizienz, was sie für den Maschinen- und Anlagenbau besonders attraktiv macht. Neben einer deterministischen Ausführung für präzise Timing-Anforderungen bestechen diese Lösungen durch geringe Latenzzeiten zugunsten schneller Reaktionen, verbesserter Systemstabilität und zuverlässiger Echtzeitkommunikation. Der geschickte Einsatz solcher Systeme ermöglicht eine rasche und kosteneffiziente Anpassung vom Automatisierungslösungen an ständig wechselnde Anforderungen und Technologien.

Doch das Implementieren eines Multiprozess-Realtime Systems unter Linux bringt einige praktische Herausforderungen mit sich. Herausforderungen, die wir erfolgreich gemeistert haben und Ihnen in unserem Blogbeitrag vorstellen. Darüber hinaus geben wir Ihnen vertiefende Einblicke in Form eines exklusiven Whitepapers sowie Diginars zu diesem Thema Und das ist noch nicht alles. Ein besonderes Angebot erwartet diejenigen, die sofort in die Praxis einsteigen möchten: Werden Sie Pilotpartner und gestalten Sie gemeinsam mit uns die Zukunft Ihres Multiprozess-Realtime-Systems unter Linux.

Linux-Betriebssystem – ausgelegt für die Anforderungen der modernen Industrie

Im industriellen Umfeld bestehen Maschinen und Anlagen aus verschiedenen Steuerungseinheiten, die in Echtzeit miteinander kommunizieren müssen, um einen reibungslosen Betriebsablauf zu gewährleisten. Aus der Kundenanforderung, ein solches industrielles Steuerungssystem schnell, kostengünstig und effizient konzipieren und realisieren zu können, haben wir die Lösung "L&R Industrial Linux" entwickelt.

Reduzierter Komponenten- und Entwicklungsaufwand, maximale Offenheit

Multiprozess-Realtime Systeme unter Linux wie das L&R Industrial Linux bieten viele sowohl wirtschaftliche als auch technische Vorteile für den Maschinen- und Anlagenbau und produzierende Unternehmen.

1. Das Linux-Betriebssystem bietet die Möglichkeit, kundenspezifische Lösungen für komplexe Industrieanlagen zu entwickeln, um jeder individuellen Anforderung gerecht zu werden.
2. Dank der aktiven Unterstützung der Community ist das System zukunftssicher und darauf ausgerichtet, den technologischen Fortschritt zu begleiten sowie langfristige Zuverlässigkeit zu gewährleisten.
3. Hardwareunabhängige Automatisierung ermöglicht softwarebasiertes Entwickeln von Funktionen, was nicht nur flexibel, sondern auch ressourceneffizient ist.
4. Effiziente Kommunikation über EtherCAT sowie sichere Datenübertragung gewährleisten eine zuverlässige und geschützte Interaktion zwischen industriellen Steuerungen.
5. Minimierte Latenzen und optimierte Kernel durch gezielte Hardwareauswahl ermöglichen eine präzise Steuerung in Echtzeit.
6. Die hohe Flexibilität für unterschiedliche Anwendungen erlaubt nahtloses Anpassen an verschiedene industrielle Anwendungen, was wiederum die Vielseitigkeit hinsichtlich der Einsatzmöglichkeiten maximiert.
7. Ein beschleunigtes und kostengünstiges Implementieren industrieller Steuerungen verkürzt Markteinführungszeiten.
8. Die Nutzung von Open Source-Technologien wie EtherCAT ermöglicht eine kosteneffiziente Treiberpflege, da auf gemeinschaftlich gepflegten und getesteten Code zurückgegriffen werden kann.
9. Die Integration von Echtzeit-Threads gewährleistet eine präzise Steuerung, was besonders wichtig für Anwendungen mit hohen Anforderungen an zeitliche Genauigkeit ist.
10. Durch den Verzicht auf proprietäre Systeme erhalten Maschinenbauer die Freiheit, flexibel zwischen verschiedenen Technologien und Hardwareoptionen zu wählen.

Praxisfall: Innovative Lösungen für komplexe Industriesteuerungen

Das Zusammenspiel verschiedener Steuerungen in komplexen Industrieanlagen erfordert spezielle Lösungen. Bei der Umsetzung für unseren Kunden setzten wir auf den Einsatz von Feldbussen wie EtherCAT. Um diesen Anforderungen gerecht zu werden, entwickelten wir Echtzeit-Threads, die gezielt auf reservierte CPU-Kerne verteilt wurden, um eine effiziente Kommunikation zu ermöglichen.

Die Virtualisierung der Inbetriebnahme spielte dabei eine entscheidende Rolle und erforderte die Optimierung der Interprozesskommunikationsprotokolle. Dies gewährleistet moderne, modulare Softwarearchitekturen in Echtzeitsystemen und ermöglicht darüber hinaus den Betrieb des Echtzeitsystems in Docker Containern. Damit ist auch eine Simulation auf Cloud-Systemen möglich, wenn auch ohne Echtzeitfunktionalität.

Geheimnisse der Performance

Die Auswahl einer geeigneten Hardware mit relevanten Latenzzeiten und optimierter Hardwarezusammenstellung war entscheidend. In diesem Zusammenhang wurde ein ARM64 Quad-Core mit 8 GB RAM verwendet. Für die Kernel-Konfiguration verwendeten wir ein Linux-Upstream-Kernel, der mit einem entsprechenden PREEMPT_RT-Patch versehen und speziell für die Bedürfnisse dieses Systems hin konfiguriert wurde.

Exakte Steuerung mit Scheduling-Algorithmen und intelligenter Anwendungsentwicklung

Um eine präzise Steuerung zu gewährleisten, wählten wir einen geeigneten Scheduling-Algorithmus; in unserem Fall SCHED_FIFO. Bei der Konfiguration des Systems haben wir verschiedene Komponenten wie CPU-Kerne, Speicherknoten, Ereignisbehandlung und Energieoptionen optimiert und an die Bedürfnisse dieses Systems angepasst.

Kreative Herangehensweise und innovative Infrastruktur

In unserer Arbeit verfolgten wir besondere Ansätze bei der Implementierung der verschiedenen Echtzeitanwendungen. Wir fanden kreative Wege, um zyklische, abhängige und freilaufende Anwendungen in das Gesamtsystem zu integrieren. So konnten wir Echtzeit für jeden Prozess sowie für das Gesamtsystem gewährleisten und gleichzeitig eine optimale Auslastung der Hardware erreichen.

Zur zuverlässigen Verteilung von Softwareentwicklungs-Updates an unsere verschiedenen Teams und zur automatisierten Auslieferung von Produktiv-Images an unsere Kunden setzten wir das Build-System ELBE* (Embedded Linux Build Environment) von Linuxtronix ein. Dieses System haben wir um eine Vielzahl von automatisierten Zusatzfunktionen erweitert.

Sie wollen Ihre bestehenden Systeme modernisieren und Ihre digitale Transformation beschleunigen?

Das Implementieren von Realtime Linux erfordert nicht nur eine präzise Planung und Anpassung an die individuellen Anforderungen des jeweiligen Projekts. Es gilt zu beachten, dass auch Erfahrung den Prozess positiv beeinflusst, indem sie die Effizienz steigert und die Lernkurve abflacht. Nach der erfolgreichen Umsetzung im Feld bieten wir nun einem Pilotpartner die Möglichkeit, unser Steuerungssystem in der eigenen Praxis zu testen, um gemeinsam dessen Weiterentwicklung voranzutreiben.

*Alle genannten Markennamen und geschützte Warenzeichen sind Eigentum ihrer jeweiligen Inhaber. Die Nennung von Markennamen und geschützter Warenzeichen hat lediglich beschreibenden Charakter.