Webfactory:Cluster-Lösung für kleinere Anlagen

Nicht nur bei kritischen Prozessen in Produktions- und Fertigungsanlagen muss heute eine hohe Anlagenverfügbarkeit gewährleistet sein. Auch bei der Automatisierung kleiner Prozessund Fertigungsanlagen ist es oft wichtig, dass im Fehlerfall die Datenintegrität sichergestellt bleibt. Bei einem Fehler der automatisierten Systeme dürfen keine relevanten Messwerte etc. verloren gehen und die Visualisierung auf dem Leitrechner soll möglichst reibungslos weiterlaufen, damit die Bedienbarkeit erhalten bleibt. Eine redundante Datenhaltung ist dafür meist obligatorisch, der dafür notwendige Investitionsaufwand ist allerdings gerade bei kleineren oder mittleren Datenaufkommen nur schwer zu rechtfertigen.

Um eine hohe Anlagenverfügbarkeit sicher zu stellen, arbeitet man üblicherweise mit Cluster-Systemen. Der Begriff „Cluster“ beschreibt zunächst einmal nichts anderes als eine Rechner-Gruppe, die von außen normalerweise als geschlossenes System erscheint. In der Regel sind die einzelnen Elemente eines Clusters, die so genannten Knoten, untereinander und mit den Speicherressourcen über ein schnelles Netzwerk verbunden. Außer der Verfügbarkeit lässt sich mit dieser Methode auch die Rechenleistung, also die Performance erhöhen.

Zu teure Hard- und Software?

Abb. 1 zeigt den prinzipiellen Aufbau eines solchen Systems, das von der in Buchen ansässigen Webfactory als Hochverfügbarkeitsmodul für die webbasierte Visualisierungssoftware Webfactory entwickelt wurde. Es besteht aus bis zu acht Einzelrechnern (Knoten) mit gemeinsamen Speicherplatten und einem verbindenden Netzwerk. Im Fehlerfall wandern einzelne Dienste definiert von einem Knoten zum anderen (Failover). Nachdem der Fehler beseitigt ist, geht das System wieder in den Urzustand (Failback). Dadurch wird eine sehr hohe Verfügbarkeit erreicht. Auch im Fehlerfall läuft die Visualisierung weiter, und z. B. auch ein Fernzugriff auf die Anlage bleibt möglich.

Natürlich lässt sich ein solcher Cluster prinzipiell sowohl bei größeren als auch bei kleineren Anlagen nutzen. Allerdings ist die Lösung mit beträchtlichen Hard- und Software- Kosten verbunden. So braucht man je nach Ausbaustufe zwei bis acht Hochleistungsserver, ein Storage Area Network (SAN) zum Zugriff auf die gemeinsamen Speicherressourcen und natürlich für jeden Server das entsprechende Betriebssystem (Windows 2003 Server Enterprise).

Die allein für diese Betriebssysteme anfallenden Lizenzgebühren rechnen sich nur bei Anlagen, in denen man auch von der hohen Rechenleistung der Clustersysteme profitieren kann. Bei kleineren Automatisierungsverbünden ist das jedoch meistens nicht der Fall. Typische Beispiele liefern kleinere Anlagen oder kleinere Kraftwerke, bei denen das Datenaufkommen eher begrenzt ist und problemlos von einem Rechner verarbeitet werden kann.

Webfactory hat deshalb speziell für solche Anwendungsbereiche unter der Bezeichnung „Cluster Express“ eine praxisgerechte Lösung entwickelt, die eine hohe Verfügbarkeit der Visualisierung bei vergleichsweise niedrigen Investitionskosten ermöglicht. Außerdem ist der Umgang mit der Technik wesentlich einfacher als bei der oben erwähnten Windows- 2003-Server-Enterprise-Lösung. Zum Bedienen des neuen Cluster-Express- Moduls sind keine speziellen IT-Kenntnisse erforderlich.

Standardlösungen senken die Kosten

Mit drei einfachen Standard-PCs und üblichen Microsoft-Windows- Betriebssystemen lassen sich hier Cluster-Lösungen bilden, die Anlagen mit kleinerem und mittlerem Datenaufkommen die geforderte hohe Verfügbarkeit der Visualisierung, der Bedienung und der Fernzugriffsmöglichkeiten garantieren. Abb. 2 zeigt den prinzipiellen Aufbau.

Die Lösung basiert auf dem Microsoft SQL Server 2005. Zwei der eingesetzten Rechner fungieren als aktiver bzw. passiver Knoten. Der dritte Rechner übernimmt die Witness-Funktion, überwacht also sowohl die Automatisierungslösung als auch den Datenbestand und koordiniert im Fehlerfall die Umschaltung zwischen den Knoten. Dabei toleriert das System jederzeit den Ausfall von einem der drei eingesetzten Rechner:

Auf dem Hauptrechner, dem so genannten Principal oder aktivem Knoten laufen die Automatisierungslösung und die Datenhaltung. Er wird vom Witness-Rechner, auf dem der Cluster-Express-Service installiert ist, beobachtet. Gleichzeitig synchronisiert dieser den Datenbestand auf aktivem und passivem Knoten. Bei einem Ausfall des Hauptrechners wird umgeschaltet, d.h. Visualisierung und Datenspeicherung übernimmt der zweite Rechner (Mirror). Datenintegrität ist damit auch im Fehlerfall gewahrt.

Ähnliches gilt auch für den Fall, dass der zweite Rechner (Mirror bzw. passiver Knoten) ausfällt. Eine Übertragung seiner Funktionen auf den anderen Knoten ist dann zwar nicht möglich, aber auch gar nicht notwendig, denn der Hauptrechner (Principal) läuft weiter, während er vom Cluster-Express-Service (Witness) weiter beobachtet wird. Der Fehler wird natürlich gemeldet. Fällt der dritte Rechner, also der beobachtende Witness-Rechner aus, kann der aktive Knoten (Principal) zwar kurzzeitig nicht mehr überwacht werden, das System läuft jedoch nach wie vor weiter und der Fehler am Witness kann behoben werden

. Die Datenintegrität ist damit auch dann ausreichend sichergestellt, wenn einer der drei Rechner ausfallen sollte, und das obendrein auch noch zu erschwinglichen Kosten: Als Hardware genügen drei handelsübliche PCs und auch die Softwarekosten bleiben überschaubar: Außer dem „Cluster- Express“-Modul ist nur ein Standard Betriebssystem für die eingesetzten PCs notwendig, also z. B. Windows XP oder Windows 2003. Gleichzeitig ist dadurch auch der Umgang mit der Technik unproblematisch.

Wer für die Automatisierungslösung der betreffenden Anlage zuständig ist, kommt auch mit „Cluster Express“ problemlos zurecht, muss also kein IT-Spezialist für Clusterlösungen sein. Als Administrator steht ihm zum Beobachten, Konfigurieren etc. eine übersichtliche Browser-Oberfläche zur Verfügung. Damit wurde speziell für Anlagen mit kleinerem oder mittlerem Datenaufkommen eine Lösung geschaffen, mit deren Hilfe sich eine hohe Verfügbarkeit der Visualisierung bei vergleichsweise geringem Investitionsaufwand realisieren lässt.