ViRTNC - Echtzeit-Virtualisierung von NC-Steuerungen zur dynamischen Bereitstellung von Hardware-Ressourcen für rechenintensive Steuerungsaufgaben
Produzierende Unternehmen stehen zunehmend vor der Herausforderung, individuelle und qualitativ hochwertige Produkte in immer kürzeren Zeitintervallen wirtschaftlich herzustellen. Insbesondere kleine und mittlere Unternehmen (KMU) sehen sich dabei mit steigenden Anforderungen an Flexibilität, Produktivität und Nachhaltigkeit konfrontiert, während gleichzeitig finanzielle und personelle Ressourcen begrenzt sind. Zur Sicherung ihrer Wettbewerbsfähigkeit sind KMU daher besonders auf effiziente und flexibel anpassbare Produktionssysteme angewiesen.
Ein wesentlicher Hebel zur Steigerung der Leistungsfähigkeit moderner Produktions- und Werkzeugmaschinen liegt in der Weiterentwicklung von Steuerungs- und Regelungsalgorithmen. In der Forschung werden zunehmend rechenintensive Verfahren entwickelt, die beispielsweise eine höhere Dynamik, Genauigkeit oder Robustheit ermöglichen. Die praktische Nutzung solcher Ansätze scheitert in der industriellen Anwendung jedoch häufig an den begrenzten Rechenressourcen klassischer numerischer Steuerungen. Diese sind in der Regel als monolithische, hardwaregebundene Systeme ausgeführt, deren Rechenleistung nur eingeschränkt skalierbar ist. Um neue oder rechenaufwendige Steuerungsfunktionen einsetzen zu können, müssen Steuerungen häufig überdimensioniert ausgelegt oder vollständig ersetzt werden, was insbesondere für KMU mit hohen Kosten verbunden ist.
Gleichzeitig wird ein erheblicher Teil der verfügbaren Rechenleistung in bestehenden Steuerungssystemen nicht kontinuierlich genutzt. Die Auslegung erfolgt häufig für selten auftretende Lastspitzen, während im Normalbetrieb deutliche Überkapazitäten bestehen. Dieses Spannungsfeld zwischen steigenden funktionalen Anforderungen und ineffizient genutzter Hardware stellt ein zentrales Hemmnis für die Einführung innovativer Steuerungskonzepte dar.
Vor diesem Hintergrund bietet die Entkopplung von Steuerungssoftware und Steuerungshardware durch Virtualisierung ein hohes Potenzial. Durch die Virtualisierung von NC-Steuerungen können Rechenressourcen dynamisch und bedarfsgerecht bereitgestellt werden. Mehrere Steuerungen lassen sich auf leistungsfähiger Standardhardware konsolidieren, während bestehende PC-basierte Steuerungshardware weiterhin genutzt werden kann. Darüber hinaus eröffnen sich neue Möglichkeiten hinsichtlich der Rekonfiguration von Produktionssystemen, der Erhöhung der Verfügbarkeit durch vereinfachtes Backup und Wiederherstellung sowie der Integration zusätzlicher digitaler Dienste.
Die Übertragung etablierter Virtualisierungskonzepte aus der Informationstechnologie auf den Bereich echtzeitkritischer NC-Steuerungen ist jedoch mit erheblichen technischen Herausforderungen verbunden. Insbesondere die Einhaltung harter Echtzeitanforderungen, die zuverlässige Anbindung von Feldgeräten sowie die Vermeidung von Interferenzen zwischen parallel betriebenen Steuerungen stellen offene Forschungsfragen dar. Bestehende Arbeiten adressieren entweder Steuerungssysteme mit geringeren Echtzeitanforderungen oder vernachlässigen wesentliche Aspekte der industriellen Praxis, wie die Nutzung bestehender Steuerungssoftware und -hardware.
Ziel des IGF-Vorhabens ViRTNC war daher die anwendungsnahe Entwicklung von Methoden und Konzepten zur Echtzeit-Virtualisierung und Konsolidierung von NC-Steuerungen. Im Mittelpunkt standen die dynamische Bereitstellung von Hardwareressourcen für rechenintensive Steuerungsaufgaben unter Nutzung kommerzieller Standardhardware und quelloffener Softwarekomponenten. Durch eine ganzheitliche Betrachtung der Virtualisierungsumgebung, der Steuerungssoftware, des Netzwerks sowie geeigneter Orchestrierungs- und Sicherheitsmechanismen sollten die Voraussetzungen für einen wirtschaftlichen und praxistauglichen Einsatz virtualisierter NC-Steuerungen geschaffen werden.
Das Vorhaben leistet damit einen Beitrag zur Steigerung der Flexibilität und Ressourceneffizienz industrieller Steuerungssysteme und adressierte die Bedürfnisse von KMU, die von skalierbaren und wirtschaftlichen Steuerungslösungen profitieren.
Zielsetzung und Vorgehensweise
Zur Erreichung der im Vorhaben ViRTNC verfolgten Ziele wurde ein ganzheitlicher Lösungsansatz entwickelt, der die Echtzeit-Virtualisierung und Konsolidierung von NC-Steuerungen unter industriellen Randbedingungen ermöglicht. Die zugehörige Forschungsfrage lautete:
Der Ansatz basiert auf der Entkopplung von Steuerungssoftware und Steuerungshardware und betrachtet alle relevanten Systemkomponenten von der Virtualisierungsumgebung über die Steuerungssoftware bis hin zur Netzwerkinfrastruktur und Orchestrierung.
Kern des Lösungsansatzes ist die Virtualisierung von NC-Steuerungen auf leistungsfähiger Standardhardware aus dem IT-Bereich. Anstelle dedizierter, monolithischer Steuerungshardware werden mehrere virtualisierte Steuerungen auf einem zentralen Server oder Edge-System betrieben. Die Rechenressourcen können dabei dynamisch und bedarfsgerecht einzelnen Steuerungen zugewiesen werden, sodass rechenintensive Steuerungsaufgaben temporär mit erhöhter Rechenleistung ausgeführt werden können, ohne dass eine dauerhafte Überdimensionierung der Hardware erforderlich ist. Gleichzeitig erlaubt dieser Ansatz die Konsolidierung mehrerer Steuerungen auf einer gemeinsamen Hardwareplattform und damit eine effizientere Nutzung verfügbarer Ressourcen.
Ein wesentlicher Bestandteil des Lösungsansatzes ist die Gewährleistung harter Echtzeiteigenschaften trotz Virtualisierung. Hierzu wurden Anforderungen an den eingesetzten Hypervisor, das Host- und Gastbetriebssystem sowie an die Hardwareplattform definiert. Der Lösungsansatz sieht vor, geeignete Virtualisierungstechnologien so zu konfigurieren und zu kombinieren, dass zeitkritische Steuerungsaufgaben deterministisch ausgeführt werden können. Neben der Partitionierung von Rechen- und Speicherressourcen wird insbesondere der Zugriff auf Peripherie und Netzwerkschnittstellen berücksichtigt, da diese maßgeblichen Einfluss auf das Echtzeitverhalten haben.
Zur Validierung des Ansatzes wurde eine minimalfunktionale, virtualisierte NC-Steuerung konzipiert, die als Referenzimplementierung für die weiteren Untersuchungen dient. Diese umfasst grundlegende Steuerungsfunktionen, wie die Ansteuerung eines einzelnen Antriebs und das Abfahren einfacher Trajektorien, und ermöglicht die systematische Analyse des Echtzeitverhaltens unter verschiedenen Virtualisierungs- und Lastszenarien. Aufbauend darauf wurde die Nutzung bestehender, vollumfänglicher NC-Steuerungssoftware in einer virtualisierten Umgebung untersucht, um die Übertragbarkeit des Ansatzes auf praxisrelevante Anwendungen sicherzustellen.
Ein weiterer Schwerpunkt des Lösungsansatzes liegt auf der Analyse und Behandlung von Interferenzen zwischen parallel betriebenen virtualisierten Steuerungen. Trotz einer möglichst weitgehenden Isolation der Hardware-Ressourcen können durch geteilte Systemkomponenten zeitliche Störungen auftreten, die sich negativ auf die Regelungsqualität auswirken. Der Lösungsansatz sieht daher sowohl die messtechnische Erfassung solcher Interferenzen als auch die Entwicklung geeigneter Kompensations- bzw. Minderungsstrategien vor, um ein stabiles und deterministisches Steuerungsverhalten zu gewährleisten.
Ergänzend zur Virtualisierung der Steuerungen wurde ein Konzept zur Orchestrierung und informationstechnischen Absicherung entwickelt. Dieses umfasst Mechanismen zur Erstellung, Konfiguration, Inbetriebnahme und Verwaltung virtualisierter Steuerungen sowie zur sicheren Einbindung in bestehende Unternehmensnetzwerke. Ziel ist es, die Bedienung und Rekonfiguration der Steuerungen zu vereinfachen und gleichzeitig den Schutz vor unbefugtem Zugriff sicherzustellen. Der Lösungsansatz orientiert sich dabei an etablierten Standards und Technologien aus der IT, um eine wirtschaftliche Umsetzung und eine hohe Übertragbarkeit in die industrielle Praxis zu ermöglichen.
Insgesamt verfolgt der Lösungsansatz des Vorhabens ViRTNC das Ziel, eine praxistaugliche, skalierbare und wirtschaftliche Grundlage für die Virtualisierung von NC-Steuerungen zu schaffen. Durch die Kombination aus Standardhardware, geeigneter Virtualisierungstechnologie und anwendungsnaher Systemarchitektur sollen die Voraussetzungen für den Einsatz rechenintensiver Steuerungsfunktionen insbesondere in KMU nachhaltig verbessert werden.
Förderhinweis
Das IGF-Vorhaben ViRTNC (22716 N) der Forschungsvereinigung Programmiersprachen für Fertigungseinrichtungen (FVP) e.V. wurde über die AiF im Rahmen des Programms zur Förderung der Industriellen Gemeinschaftsforschung (IGF) vom Bundesministerium für Wirtschaft und Energie aufgrund eines Beschlusses des Deutschen Bundestages gefördert. Der Förderzeitraum begann im November 2022 und endete im Mai 2025.