Die Anwendung von Webtechnologien in der industriellen Steuerungstechnik ist aktuell ein viel diskutiertes Thema. Durch den Betrieb eingebetteter Webserver in den Feldgeräten der unteren Steuerungsebene können diese Geräte über das Internet mit einem Standardbrowser ferngesteuert werden. Die auf den Feldgeräten gespeicherten Webseiten spiegeln dynamisch ihren Betriebszustand und Feedback-Informationen nach erfolgten Operationen wider. Dies eröffnet neue funktionale Vorteile für Datenerfassung, -erkennung, -analyse, -steuerung und Systemwartung, wie beispielsweise die Fernüberwachung und -wartung. Die Kombination dieses eingebetteten Webservers mit Feldsteuerungssystemen und -instrumenten ermöglicht die Fernüberwachung und -wartung über das Internet. Gleichzeitig müssen Steuerungssysteme und -instrumente bei der Erweiterung der Webfunktionalität die systemeigenen Eigenschaften – Echtzeitfähigkeit, Zuverlässigkeit und Sicherheit – gewährleisten. Ein Vergleich traditioneller Steuerungssysteme mit webtechnologiemodifizierten Steuerungssystemen zeigt: In industriellen Steuerungssystemen erfordert der Zugriff auf und die Überwachung von eingebetteten Steuergeräten häufig spezielle Kommunikationsprotokolle und Überwachungssoftware. Typischerweise sind bei dieser Zugriffsart sowohl Client- als auch Serverprogramme an den Benutzer angepasst und zeichnen sich durch eine hohe Reaktionsfähigkeit aus. Die Nachteile liegen jedoch auf der Hand: Jeder Client-PC, der auf den Server zugreifen möchte, benötigt eine bestimmte Version des Client-Programms. Sobald eine neue Version veröffentlicht wird, muss diese auf jedem Client-PC neu installiert werden, was die Aktualisierung aller Clients auf die neueste Version zeitaufwändig macht. Die Überwachungsfunktion eines Steuerungssystems mit eingebetteter Webtechnologie wird durch den Zugriff auf das serverseitige Programm im eingebetteten Gerät über ein universelles Client-Programm (z. B. Internet Explorer) auf einem PC realisiert. Ein eingebetteter Webserver vereinfacht und ermöglicht jedoch den Fernzugriff und die Fernsteuerung. Ein eingebetteter Webserver ist im Wesentlichen ein HTTP-Textserver; es handelt sich um einen speziellen Webserver, der auf Nicht-PC-Feldgeräten läuft. Diese Feldgeräte verfügen typischerweise über begrenzte Ressourcen, wie z. B. geringe CPU-Leistung, begrenzten Speicherplatz und strenge Anforderungen an den Energieverbrauch. Daher müssen eingebettete Webserver in industriellen Steuerungsanwendungen in der Regel besondere Anforderungen erfüllen. Da eingebettete Webserver dem HTTP-Protokoll folgen, können sie über einen Standardbrowser aufgerufen werden, wodurch die Notwendigkeit angepasster Client-Programme entfällt. Es muss lediglich eine Standardbrowser-Software wie Internet Explorer oder Netscape installiert werden. Somit muss lediglich das Anwendungsprogramm auf dem Feldgerät angepasst und aktualisiert werden; das Clientprogramm hingegen nicht. Eine typische Steuerungssystemarchitektur mit eingebettetem Webserver ist in Abbildung 1 dargestellt. Die industrielle Steuerung mittels eingebetteter Webtechnologie bietet folgende Vorteile: (1) Es ist keine Client-Softwareentwicklung erforderlich. Der Webbrowser als universelle Mensch-Maschine-Schnittstelle kann unabhängig vom Betriebssystem der Workstation auf verschiedenen Plattformen, einschließlich Windows und Unix, ausgeführt werden. (2) Die Browseroberfläche ist einfach und benutzerfreundlich und erfordert keine zusätzliche Benutzerschulung. (3) Serverseitige Software kann über den Browser heruntergeladen, aktualisiert und aufgerüstet werden, was die Verwaltung und Aktualisierung der Anwendungssoftware für Feldgeräte vereinfacht und komfortabler gestaltet. (4) Mehrere Browser können gleichzeitig auf dasselbe Servergerät zugreifen. Nach erfolgreicher Sicherheitsauthentifizierung können Benutzer die Systeme per Internet fernüberwachen, steuern und aktualisieren, wodurch Personalkosten gespart werden. (5) Serverseitige Software kann Selbstdiagnosen durchführen, Fehleralarme und -analysen in Echtzeit bereitstellen und Manager, die nicht vor Ort sind, über das Internet benachrichtigen. Dies beschleunigt die Fehlersuche und verkürzt die Reaktions- und Wartungszeiten. II. Unterschiede zwischen eingebetteten und Standard-Webservern Standard- Webserver sind für E-Commerce oder die Bereitstellung von Netzwerkdiensten im Internet für die breite Öffentlichkeit konzipiert. Sie vereinen die Vorteile aller Webdienst-Software und bieten so einen besonders stabilen und funktionsreichen HTTP-Server. Viele dieser Funktionen gehen jedoch mit einem höheren Code-Speicherplatz und einem erheblichen Hardware-Bedarf einher. Die Ressourcen von Feldgeräten im industriellen Bereich sind jedoch begrenzt und unterscheiden sich deutlich von denen von PCs. Diese Anforderungen sind für eingebettete Webserver schwer zu erfüllen. Daher konzentrieren sich eingebettete Webserver stärker auf die spezifischen Eigenschaften von Instrumenten und Steuerungssystemen. Zu den spezifischen Merkmalen eingebetteter Webserver gehören: 1. Begrenzte Systemressourcen und geringerer Code-Speicherplatz: Dies ist die wichtigste Anforderung. Viele eingebettete Geräte verfügen typischerweise über begrenzten Speicherplatz (Flash und RAM), wodurch das Serverprogramm möglichst wenig Speicherplatz belegen muss (einschließlich Code-Speicherplatz, Heap und Stack). Da den meisten eingebetteten Geräten gleichzeitig effiziente Speicherverwaltungsfunktionen fehlen und zugewiesener Speicherplatz nicht effektiv freigegeben werden kann, ist es nach Freigabe des zum Öffnen einer Webseite verwendeten Speicherplatzes schwierig, diesen mit angrenzenden Speicherbereichen zusammenzuführen, was spätere Unbrauchbarkeit zur Folge haben kann. Dies erfordert eine strenge Kontrolle der Code- und Speichergröße des eingebetteten Webservers sowie den Einsatz von Vorab- und statischen Speicherverwaltungsmechanismen, um Speicherfragmentierung zu vermeiden. 2. Unterstützung der dynamischen Webseitengenerierung: Standard-Webserver enthalten typischerweise eine große Anzahl statisch gespeicherter Webseiten, während eingebettete Webserver Webseiten dynamisch nach Bedarf generieren müssen. Diese Webseiten müssen den Gerätestatus, erfasste Signale, Alarminformationen und Rückmeldungen zu den Ausführungsergebnissen von Operationen in Echtzeit widerspiegeln. Eingebettete Webserver müssen Webseiten dynamisch aktualisieren und generieren, wenn sich die Feldgeräte ändern. Es gibt üblicherweise zwei Möglichkeiten, dynamische Daten zu generieren: (1) Generierung von HTML-Tags zur Darstellung dynamischer Daten durch reinen C-Code während der Programmausführung; (2) Direkte Generierung dynamischer Webseiten und Einbettung dynamischer Daten durch erweiterte Tags. 3. Integration mit Steuerungssystemen und Instrumenten: Eingebettete Webserver sollten sich nahtlos in bestehende Steuerungssysteme integrieren lassen, um die Entwicklung zu vereinfachen. Die vorhandenen Programmierschnittstellen (APIs) der Geräte können auf unterschiedliche Weise mit dem Webserver verbunden werden. Verschiedene Anbieter eingebetteter Webserver bieten unterschiedliche Methoden an, und es existiert derzeit kein einheitlicher Standard. Üblicherweise werden jedoch dynamische Service-Webseiten (ASP) und JavaScript verwendet, um die von der Geräteanwendung generierten dynamischen Ergebnisse mit der Webseite zu verknüpfen. 4. Unterstützung für Geräte ohne Dateisystem: Viele eingebettete Geräte verfügen in der Regel nicht über ein Festplattendateisystem oder andere Speichermedien mit hoher Kapazität, sollen aber dennoch über Webseiten angesteuert werden können. Dies erfordert, dass eingebettete Webserver Webseiten auf Speichermedien wie ROM oder Flash speichern können. 5. Portabilität auf neue Plattformen und CPU-Architekturen: Eingebettete Webserver werden häufig in verschiedenen Feldgeräten mit unterschiedlichen Prozessorarchitekturen eingesetzt. Ein hochgradig portabler Webserver ermöglicht nicht nur die Bereitstellung von Webdiensten für eine größere Vielfalt an Feldgeräten, sondern auch die Übertragung von Entwicklungserfahrung auf andere Projekte. 6. Sicherheitsschutz und strenge Authentifizierung des Zugriffs auf kritische Informationen und Konfigurationsvorgänge sind für die Informationssicherheit eingebetteter Steuerungssysteme und Messgeräte von entscheidender Bedeutung. Gängige Sicherheitsmodelle wie SSL-Verschlüsselung und -Authentifizierung, DDA-Verschlüsselung und Benutzerberechtigungen sollten in den eingebetteten Geräten implementiert werden, um die Sicherheit und Zuverlässigkeit der Echtzeitsteuerung von Systeminformationen zu gewährleisten. III. Spezifische Implementierungsmethoden eingebetteter Webtechnologie im industriellen Bereich: Da Rechenleistung, Speicherplatz und andere Hardware-Ressourcen verschiedener intelligenter Geräte im industriellen Bereich unterschiedlich sind, variiert auch deren Netzwerkzugriff. Dies führt zu folgenden spezifischen Implementierungsmethoden für eingebettete Webtechnologie: (1) Ausführung des TCP/IP-Protokollstapels in Software und Implementierung des Webservers im Gerät. Der Schlüssel zu dieser Methode liegt in der reinen Softwareimplementierung des TCP/IP-Protokollstapels, sodass die eingebettete Webserver-Software darauf ausgeführt wird und direkt mit dem Netzwerk verbunden werden kann. Diese direkte Verbindungsmethode erfordert üblicherweise eine leistungsstarke CPU, z. B. einen 32-Bit-Prozessor wie ARM-Prozessoren, PowerPC oder MIPS. Sie verfügt in der Regel über serielle Schnittstellen zum Modem oder Ethernet-Chipsätze zur Ethernet-Verbindung, sodass die TCP/IP-Protokollstack-Software mit der Außenwelt kommunizieren kann. Der Aufbau ist in Abbildung 2 dargestellt. Die technischen Vorteile sind: Das Gerät kann direkt mit dem Netzwerk verbunden werden; hohe Gesamtintegrität; keine zusätzliche Hardware erforderlich, da die gesamte Hardware aus CPU und Schnittstellenchip besteht; einfaches Hardware-Design. Die Nachteile sind: hohe Rechenleistung erforderlich, üblicherweise ein 32-Bit-Prozessor; hoher Speicherbedarf für Code und Daten; rein softwarebasierter Protokollstack, komplexes Software-Debugging. (2) Implementierung des TCP/IP-Protokollstacks über zusätzliche Hardware und Implementierung des Webservers als integriertes Steuergerät. Diese Methode ist in Abbildung 3 dargestellt. Der TCP/IP-Protokollstack wird vollständig in Hardware implementiert. Lediglich die Schnittstelle muss bei der Hardwareplanung berücksichtigt werden. Hardware-Leiterplatten, die TCP/IP implementieren können, lassen sich ebenfalls verwenden und über serielle Schnittstellen mit dem Feldgerät verbinden, um das Hardware-TCP/IP-Protokoll zu realisieren. Der Steuerungsprozessor des Feldgeräts muss lediglich die eingebettete Webserver-Software ausführen, was die Belastung erheblich reduziert. Die Vorteile dieses Ansatzes sind: Das Gerät kann direkt mit dem Netzwerk verbunden werden; der gesamte TCP/IP-Protokollstapel ist in der Hardware des Peripheriechips implementiert, was den Aufwand für die Software-Fehlerbehebung verringert; die CPU muss die TCP/IP-Protokollstapel-Software nicht ausführen, was die Verarbeitungslast, die Leistungsanforderungen an die CPU und den Speicherbedarf reduziert. Die Nachteile sind: Der zusätzliche Peripheriechip erhöht die Kosten; die Komplexität des Hardware-Designs und die Produktkosten steigen. (3) Der eingebettete Webserver wird als externes Gateway zur Steuerung mehrerer Geräte implementiert. Wie in Abbildung 4 dargestellt, wird bei dieser Methode üblicherweise ein PC als externes Gateway verwendet, auf dem das vollständige TCP/IP-Protokoll und die eingebettete Webdienst-Software ausgeführt werden. Jeder PC kann ein oder mehrere Feldgeräte über serielle Schnittstellen und andere Mittel steuern. Der externe Zugriff auf Feldgeräte muss zunächst über das Gateway verarbeitet werden. Anschließend erfolgt der Informationsaustausch mit den Feldgeräten, das Extrahieren von Webseiten und die Übermittlung der finalen Informationen an den externen Besucher. Vorteile: Die Feldgeräte benötigen keine zusätzliche Hardware, sondern lediglich einfache RS-232- oder RS-485-Schnittstellen. Die CPU-Last wird deutlich reduziert, wodurch die Anforderungen an CPU-Leistung und Speicherplatz erheblich sinken. Steuergeräte mit 8- oder 16-Bit-Mikroprozessoren eignen sich optimal für die Nutzung externer Gateway-Webserver. Durch minimale Hardware- und Softwareanpassungen verkürzt sich die Produktentwicklungszeit erheblich. Nachteile: Der Bedarf an einem externen Gateway (üblicherweise einem PC) erhöht die Produktkosten und die Systemkomplexität. Das Protokoll zwischen Gateway und Feldgeräten ist nicht standardisiert, und die Methode zur Netzwerkverbindung und zum Betrieb eines eingebetteten Webservers hängt von den Hardware-Ressourcen, den Produktkosten und dem Verwendungszweck ab. Für Hardwaregeräte mit hoher CPU-Leistung kann die erste oder zweite Methode verwendet werden. Bei Geräten mit geringerer CPU-Leistung, kleineren Produktionsmengen oder der Aufrüstung älterer Anlagen bietet sich die zweite oder dritte Implementierungsmethode an, die auf der vorhandenen Hardware basiert. IV. Entwicklungsperspektiven eingebetteter Webtechnologie: Der Einsatz eingebetteter Webtechnologie in industriellen Steuerungssystemen bietet viele Vorteile, birgt aber auch einige wichtige Herausforderungen: (1) Echtzeitfähigkeit: Typischerweise wird 10M/100M-Ethernet zwischen dem Browser des Benutzers und dem eingebetteten Webserver der unteren Schicht des industriellen Steuerungssystems verwendet. Um sicherzustellen, dass die in Echtzeit erfassten Informationen zeitnah im Browser des Benutzers angezeigt werden, können Router oder Switches zur Trennung wichtiger Netzwerksegmente eingesetzt werden. Dies vermeidet Konflikte und gewährleistet eine ausreichende Kommunikationsgeschwindigkeit. Gleichzeitig muss die CPU-Leistung berücksichtigt werden. Ein leistungsstarker 32-Bit-Mikroprozessor ist erforderlich, um die Echtzeitfähigkeit der Steuerungsvorgänge und eine schnellere Reaktionszeit bei gleichzeitigem Zugriff mehrerer Benutzer auf denselben eingebetteten Webserver zu gewährleisten. (2) Auswahl von Industriestandards: Verschiedene Internetstandards entwickeln sich ständig weiter. Hinsichtlich der verwendeten Sprachen bietet HTML mehr Alternativen, wie beispielsweise XML (Extensible Markup Language). XML trennt die Darstellung vom Inhalt, ermöglicht einen besseren Datenaustausch und eignet sich besser für den Datenaustausch zwischen Steuerungssystemen über standardisierte Methoden. Daher wird es in Feldgeräten zunehmend eingesetzt. (3) Zuverlässigkeit: Die Hauptfunktion industrieller Steuerungstechnik besteht darin, die Eingabe, Ausgabe und Steuerung von Prozessvariablen im Feld zu realisieren. Die Zuverlässigkeit der Feldsteuerungsgeräte ist entscheidend. Durch die Integration von Webdienstfunktionen werden die Systemsoftwarefunktionen komplexer und ressourcenintensiver. Daher ist ein strenges Design der Systemhardware und -software-Zuverlässigkeit erforderlich, um den stabilen Betrieb der Systemsteuerungsfunktionen auch bei der Integration von Webdienstfunktionen in die Feldsteuerungsgeräte zu gewährleisten. ( 4) Sicherheit: Der Zugriff auf und die Bedienung von Schlüsselgeräten im industriellen Bereich sowie die Anzeige von Webinformationen müssen sicher sein. Informationen dürfen nicht unverschlüsselt über das Netzwerk übertragen werden. Stattdessen werden Verschlüsselungsmaßnahmen und Authentifizierung für die Benutzerverwaltung eingesetzt. V. Fazit: Mit der kontinuierlichen Weiterentwicklung der Netzwerktechnologie erweitert die Anwendung von Webtechnologien im Bereich der industriellen Steuerung die Systemfunktionen räumlich und verleiht ihnen die Eigenschaften eines vernetzten automatisierten Steuerungssystems. Es zeichnet sich durch gute Anwendbarkeit und Offenheit aus und ist ein Trend und ein wichtiger Schwerpunkt der technologischen Entwicklung. Gleichzeitig müssen bei der Implementierung eingebetteter Webserver die verschiedenen Ressourcenbeschränkungen der zugrunde liegenden Geräte und Instrumente, wie Prozessorgeschwindigkeit, Speicherplatz, Kommunikationsschnittstellen und Produktkosten, berücksichtigt werden, um festzulegen, wie der Netzwerkzugriff erfolgt und welche Webserverfunktionen implementiert werden sollen.