Cloud basierte IEC61131_final
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CLOUD BASIERTE IEC 61131 STEUERUNGSDIENSTE AUF BASIS VON WEBTECHNOLOGIEN Fraunhofer-Institut für Eingebettete Systeme und Kommunikationstechnik ESK Prof. Dr.-Ing. Rudi Knorr Institutsleiter Fraunhofer ESK Ordinarius Universität Augsburg Dr.-Ing. Dirk Eilers Automotive Dr.-Ing. Mike Heidrich Industrial Communication Dipl.-Ing. Sven Brandt Telecommunication Technologien Adaptive und zuverlässige Kommunikationssysteme Software-intensive, eingebettete Systeme Folie 2 © Fraunhofer ESK www.esk.fraunhofer.de Märkte Automatisierungstechnik Zahlen 2014 Mitarbeiter 70 Automotive Energieversorgung Telekommunikation Standort München Budget 7,4 Mio. € IKT Herausforderungen in verschiedenen Branchen Telekommunikation Steigender Bandbreiten-Bedarf; Energieeffizienz; Aufbau hybrider Netze Zuverlässige, ressourceneffiziente, flexible Kommunikation Energieversorgung Echtzeitkommunikation in Smartgrids; Integration von E-Fahrzeugen in Smart Grids IK T Automotive Zuverlässige Car-to-XKommunikation; Adaptivität von Bordnetzen; intelligente Infrastruktur für E-Mobility Folie 3 © Fraunhofer ESK www.esk.fraunhofer.de Domänenübergreifender Informationsaustausch und Vernetzung Automatisierungstechnik Robuste Kommunikation für Industrie 4.0; Aufbau von hochflexiblen verteilten Systemen IKT Herausforderungen in verschiedenen Branchen Telekommunikation Steigender Bandbreiten-Bedarf; Energieeffizienz; Aufbau hybrider Netze Zuverlässige, ressourceneffiziente, flexible Kommunikation IK T Automotive Zuverlässige Car-to-XKommunikation; Adaptivität von Bordnetzen; intelligente Infrastruktur für E-Mobility Folie 4 © Fraunhofer ESK www.esk.fraunhofer.de Domänenübergreifender Informationsaustausch und Vernetzung Energieversorgung Echtzeitkommunikation in Smartgrids; Integration von E-Fahrzeugen in Smart Grids Cloud für die Industrie 4.0 Automatisierungstechnik Robuste Kommunikation für Industrie 4.0; Aufbau von hochflexiblen verteilten Systemen Inhalt des Vortrages Industrie 4.0 und Industrial Cloud Speicherprogrammierbare Steuerungen nach IEC 61131 IEC 61131 basierte Steuerungen in der Cloud Architekturvorschlag Forschungsfragen Vorteile für den Anwender Ausblick Folie 5 © Fraunhofer ESK www.esk.fraunhofer.de Industrie 4.0 Folie 6 © Fraunhofer ESK www.esk.fraunhofer.de Industrie 4.0 - Definitionen Definition Industrie 4.0: : Industrie 4.0 meint im Kern die technische Integration von CPS in die Produktion und die Logistik sowie die Anwendung des Internets der Dinge und Dienste in industriellen Prozessen – einschließlich der sich daraus ergebenden Konsequenzen für die Wertschöpfung, die Geschäftsmodelle sowie die nachgelagerten Dienstleistungen und die Arbeitsorganisation.(acatech, 2013) Definition CPS: : … Es entstehen offene, vernetzte Systeme, die mithilfe von Sensoren Daten zu Situationen der physikalischen Welt erfassen, sie interpretieren und für netzbasierte Dienste verfügbar machen sowie mittels Aktoren direkt auf Prozesse in der physikalischen Welt einwirken und damit das Verhalten von Geräten, Dingen und Diensten steuern können. Bei solchen Systemen sprechen wir von Cyber-Physical Systems (acatech, agendaCPS, 2012) Folie 7 © Fraunhofer ESK www.esk.fraunhofer.de Erhoffte Nutzeffekte der Industrie 4.0 Quelle: S. Russwurm: „Industrie 4.0 – die Zukunft der Produktion“, Vortrag auf dem Wirtschaftstag der Botschafterkonferenz, Berlin, August 2014 Folie 8 © Fraunhofer ESK www.esk.fraunhofer.de Industrie 4.0 Produktionsszenario - Anforderungen Zuverlässigkeit Echtzeitfähig-keit Folie 9 © Fraunhofer ESK www.esk.fraunhofer.de Interoperabilität Flexibilität Industrial Cloud Cloud Private Cloud Trend Public Cloud Folie 10 © Fraunhofer ESK www.esk.fraunhofer.de Industrial Cloud - Vorteile Quelle: SPS Automation Newsletter: Cloud in der Automation entscheidend für 'Industrie 4.0‘. – Ausgabe 25, 27.06.2013 Folie 11 © Fraunhofer ESK www.esk.fraunhofer.de Automation Services Control in the Cloud Folie 12 © Fraunhofer ESK www.esk.fraunhofer.de BigData analytics for Realtime Data Industrial Cloud Industrial Cloud BigData-Analyse von Echtzeitdaten: In allen Automatisierungsebenen, aber insbesondere in den prozessnahen Ebenen fallen sehr große Mengen an Echtzeit-Prozessdaten an, deren Analyse zu einer Verbesserung der Effizienz eines gesamten Automatisierungssystems führen kann. Beispiel: Online Qualitätsüberwachung Automatisierungsdienste: Realisierung von Automatisierungsfunktionen der höheren Automatisierungsebenen als Automatisierungsdienste und deren Ausführung, Verteilung und Management unter Nutzung von Cloud Computing. Beispiel: MES in der Cloud Steuerungen in der Cloud: Verlagerung von Industriesteuerungen in eine Cloud und die Ausführung der Steuerungen bzw. der Steuerungsprogramme als Dienst. Folie 13 © Fraunhofer ESK www.esk.fraunhofer.de Speicherprogrammierbare Steuerungen nach IEC 61131 Verbindungsprogrammierte Steuerungen (VPS): Festlegung der Funktion durch feste Verdrahtung Speicherprogrammierbare Steuerung (SPS): Festlegung der Funktion durch eine Software 1968: Bedford Associates, Modicon 084 (MOdular DIgital CONtroller) Folie 14 © Fraunhofer ESK www.esk.fraunhofer.de Heute: SPS als Automisierungskomponente, Beispiel: Siemens SIMATIC S7 Speicherprogrammierbare Steuerungen nach IEC 61131 PS: Power Supply BE: Binäreingang AE: Analogeingang RS: serielle Schnittstelle BA: Binärausgang AA: Analogausgang Folie 15 © Fraunhofer ESK www.esk.fraunhofer.de FB: Feldbus ETH: Ethernet Speicherprogrammierbare Steuerungen nach IEC 61131 Folie 16 © Fraunhofer ESK www.esk.fraunhofer.de IEC61131 Steuerungsfunktionen mit einer flexiblen Steuerungsstruktur realisieren In Anlehnung an eine klassische SPS besteht eine Cloud based industrial Control Services (CICS)-Steuerung aus den folgenden drei Komponenten: CICS-Programm (CICS-P): IEC61131-3-Steuerungsprogramm in der PCLopen XML-Notation. Es beinhaltet keine Steuerungskonfiguration sondern nur den Programm (POU) und Variablenteil. CICS-Runtime (CICS-RT): Ausführungsumgebung für das CICS-Programm. Sie kann zyklusgesteuert oder event-basiert arbeiten. CICS-Router (CICS-R): Gerätekonfiguration für eine CICS-Steuerung, d.h. darüber wird festgelegt, welche CPS-Komponenten (welche Automatisierungsgeräte) an die Steuerung angeschlossen sind. Folie 17 © Fraunhofer ESK www.esk.fraunhofer.de Flexible Aufteilung eines IEC61131 Steuerungs-Programms Um die I40-Fähigkeiten einer CICS-Steuerung zu beurteilen, wird u.a. eine 3teilige Strukturierung des Steuerungsprogramms genutzt. grundlegender funktionaler Programmteil (CP basic - CPb), Programmteil, welcher übergeordnete, Verwaltungs- und/oder Nutzerschnittstellenfunktionen ausführt (CP supervisory - CPs), kritischer Programmteil hinsichtlich Echtzeit und Sicherheit (CP critical - CPc). Evolution einer Industriesteuerung (SPS) als CPS-Komponente Folie 18 © Fraunhofer ESK www.esk.fraunhofer.de Server zentrierte Steuerungs-Struktur Basierend auf dem Basismodell und der allgemeinen CICS-Steuerungsstruktur ergeben sich server- und client-basierte CICS-Lösungen. (1) Server Mode (SM): CICS-R und CPS-Komponente bilden ein vorprojektiertes Funktionalsystem. (2) Server-basierter Mixed Mode (SMM): Konfiguration kann on-the-fly geändert werden Folie 19 © Fraunhofer ESK www.esk.fraunhofer.de Client zentrierte Steuerungs-Struktur (1) Client-basierter Mixed Mode (CMM): Konfiguration kann on-the-fly geändert werden. (2) Client Mode (CM): CICS-R und CPS-Komponente bilden ein vorprojektiertes Funktionalsystem. Die CM-Lösung besitzt alle Vorteile der aus dem Web bekannten klassischen peer-topeer-Lösung. Folie 20 © Fraunhofer ESK www.esk.fraunhofer.de CICS-Router-Channels Der CICS-R-Dienst wird gekennzeichnet durch • • • Anzahl der Channels, options in den Specific CICS Data und options in den Channels Anzahl der Channels eines CICS-Router Der Router kennt nur I/O-Daten, unabhängig davon, ob es sich um Prozessdaten (Sensoren, Aktoren) oder Steuerdaten handelt. • 2 x Channels für die Steuerung des CICS-R • • IN1: IN2: LOAD = Laden + Ausführen einer neuen Routerkonfiguration RESET = Stop des Routing und Setzen aller Ausgänge auf „0“ • i x Channels (i = n+m+p+q) für die Geräte-I/O (DI, DO, AI, AO) • 1 x CICS block channel Folie 21 © Fraunhofer ESK www.esk.fraunhofer.de Proof of Concept: SPS IPC DRIVES 2015 Client- basierte IEC61131-Runtime CICS Industrial Cloud PLCopen XML Control as a Service CICS-Programm = PLCopen XML-Programm in der AWL Notation. Folie 22 © Fraunhofer ESK www.esk.fraunhofer.de Sicherung der Zuverlässigkeit 2 2 1 3 1 1 Probleme hinsichtlich Zuverlässigkeit 1. Verbindungsverzögerung und/oder Verbindungsunterbrechung Überwachung Netzqualität, Integration ping-pong-Channel, lokaler Betrieb bei CICS-CM 2. Probleme zur Runtime durch externe Belastung des Client-Rechners Keine weiteren Programme auf dem Client-Rechner bzw. Echtzeitfähigkeit 3. Probleme zur Runtime durch z.B. überlastete Cloud Wenig wahrscheinlich wegen Leistungsskalierung in der Cloud Folie 23 © Fraunhofer ESK www.esk.fraunhofer.de Maßnahmen zur Datensicherheit 2 1 3 4 3 1 1 Probleme hinsichtlich Datensicherheit 1. Störung der Prozessdatenkommunikation Verschlüsselung, schreibender Zugriff über Zertifizierung, lokaler Betrieb bei CICS-CM 2. Einbruch in die Cloud und Modifizierung der Dateien für CICS-RT und CICS-R Prüfung eines CRC im Client beim Laden der Dateien 3. Einbruch in den Client und Störung des CICS-RT-Betriebs Wenig wahrscheinlich, da kein Webserver im Client und nur dynamische IP-Adresse 4. Einbruch in die Cloud und Störung des CICS-R-Betriebs Folie 24 © Fraunhofer ESK www.esk.fraunhofer.de Absicherung der Cloud Maßnahmen zur Maschinensicherheit 2 1 2 2 1 1 3 3 Probleme hinsichtlich Maschinensicherheit 1. Verbindungsverzögerung und/oder Verbindungsunterbrechung Überwachung Netzqualität, Integration ping-pong-Channel, lokaler Betrieb bei CICS-CM 2. Runtime-Fehler in der CICS-RT und/oder CICS-R Überwachung Runtime-Verhalten (z.B. Watch-Dog) 3. Verbindungsabbruch WebConnector muss Verbindungsabbruch erkennen und I/Os in sicheren Zustand bringen Bei CMM schwierig, da für Industrieprotokolle (OPC UA, Modbus TCP, proprietär) i.d.R. kein WebConnector genutzt wird. Folie 25 © Fraunhofer ESK www.esk.fraunhofer.de Vorteile für die Anwender • Ein cloudbasiertes-Steuerungssystem erfüllt nachweislich typische I40-Anforderungen wie Dezentralität und Autonomie, Rekonfigurierbarkeit und Agilität, Interoperabilität zwischen heterogenen Systemen, dynamische Änderungen zur Laufzeit, Dienstparadigma, Orchestrierung heterogener Systeme u.a. • Bei Einschränkung der I40-Möglichkeiten und Eingrenzung auf bestimmte Anwendungsgebiete, z.B. nur für mittlere und lange Reaktionszeiten, gewährleistet eine cloudbasierte-Steuerung auch die Sicherung der notwendigen klassischen SPS-Anforderungen. Folie 26 © Fraunhofer ESK www.esk.fraunhofer.de Ausblick: Webtechnologien im prozessnahen Bereich CICS basiert auf Webtechnologien Client = beliebiger Browser mit Javascript Engine Server = node.js, ebenfalls mit Javascript Engine Forderung einer schlanken, effizienten webbasierten Kommunikation zwischen den verteilten Diensten Entwurf eines „industrial web based protocol“ (IWBP), um den Anforderungen der Industrie zu genügen und gleichzeitig konform zu W3C Standards und IETF RFC‘s zu sein Folie 27 © Fraunhofer ESK www.esk.fraunhofer.de Vielen Dank für Ihre Aufmerksamkeit! Dr. Mike Heidrich Geschäftsfeldleiter Industrial Communication Fraunhofer-Institut für Eingebettete Systeme und Kommunikationstechnik ESK Hansastr.32 I 80686 München Telefon +49 89 547088-377 [email protected] I www.esk.fraunhofer.de Folie 28 © Fraunhofer ESK www.esk.fraunhofer.de
