Vom Feldbus zur integrierten Kommunikation
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Vom Feldbus zur integrierten Kommunikation Peter Neumann ifak Institut für Automation und Kommunikation Magdeburg [email protected] KOMMA 2010 Kommunikation in der Automation Lemgo, 11.November 2010 1 Peter Neumann Vom Feldbus zur integrierten Kommunikation Gliederung Einleitung Begriffsbestimmung und Herausforderungen Derzeitiger Stand (kurz) Lokale Feldbuskommunikation Digitale Punkt-zu-Punkt-Verbindung – Ergänzung der Feldbustechnik Ethernet-basierte lokale Kommunikation Funkbasierte Sensornetzwerke Stufen der Integration Integration im lokalen Bereich Integration im globalen Bereich Virtuelle Automatisierungsnetze Dienstgüteaspekte bei der integrierten Kommunikation Zu erwartende Entwicklungen 2 Peter Neumann Vom Feldbus zur integrierten Kommunikation Begriffsklärung Feldbus 3 Echtzeitdatenübertragung im prozessnahen Bereich von Automatisierungssystemen Lokale Ausdehnung Übertragungstechnik und Protokolle unterscheiden sich deutlich von denen der allgemeinen Rechnernetze Reduzierte Stack-Architektur Abgeschlossenheit: Inselcharakter im Sinne von Datensicherheit Peter Neumann Vom Feldbus zur integrierten Kommunikation Echtzeitdatenübertragung im prozessnahen Bereich Engineering Tool Host/FPLC Host/PLC Standard -I/O prozessnaher Bereich (Feldebene) PROFIBUS DP physics Standard -I/O Sensor Actuator DP/PA Segmentkoppler Field Device 4 Repeater Peter Neumann Field Device PROFIBUS PA physics Field Device Vom Feldbus zur integrierten Kommunikation Integrierte Kommunikation 5 Peter Neumann Vom Feldbus zur integrierten Kommunikation Begriffsklärung Integrierte Kommunikation Heterogene, geographisch verteilte Netzwerke, deren Bestandteile (Subnetze) mittels Netzübergängen kooperieren Die Subnetze nutzen i.d.R. unterschiedliche Übertragungstechniken und Protokolle Transparente Ende zu Ende – Kommunikation der geographisch verteilten Automatisierungsobjekte Æ Automatisierungssystem „spürt“ nur die automatisierungstypische (lokale) Kommunikation Offenheit: Öffnung des automatisierungstypischen Datenaustausches für heterogene Netzwerke über öffentliche Medien Æ Datensicherheit (Security) hat große Bedeutung Echtzeitverhalten unterscheidet sich in den Subnetzen 6 Peter Neumann Vom Feldbus zur integrierten Kommunikation Motivation für integrierte Kommunikation Digitale Fabrik: in der Automatisierungspyramide werden formale Methoden eingeführt Verteilte Applikationen: Die automatisierungstechnischen Funktionen reichen von der Sensor-/Aktorebene bis zu entfernten Informationsdiensten (Tele Service, Instandhaltung,...) Die Industrieautomation und die Büroautomation rücken enger zusammen (und verwenden gleiche Kommunikationstechniken) 7 Peter Neumann Vom Feldbus zur integrierten Kommunikation Herausforderungen Durchgängige Kommunikation: ggf. viele Netzwerkübergänge Transparente Übertragungspfade erwünscht Kontextspezifische skalierbare Dienstgüten Hohe technische Verfügbarkeit Echtzeitverhalten in drei unterschiedlichen Echtzeitklassen Funktionale Sicherheit (Safety) Datensicherheit (Security) 8 Peter Neumann Vom Feldbus zur integrierten Kommunikation Erforderliche Netzübergänge WAN, Internet Telecommunication LAN RTE Manager Station Supervisor Office Device Controller Proxy Gateway Fieldbus Internet Server Device Peter Neumann WL device W/WL Link Wired W/WL Segment koppler 9 MAN Station Vom Feldbus zur integrierten Kommunikation WL device WL device WL device Wireless Umschaltbarkeit von Übertragungspfaden CEPr Telecommunication Switch Mechanism needed Remote industrial domain Public Network 1 ... Public Network m Public and Private Telecommunication Networks (wired/wireless) Private Network 1 ... Private Network n QoS k Agreements with providers are necessary to guarantee the required QoS 10 Peter Neumann QoS 1 CEPl Local industrial domain Vom Feldbus zur integrierten Kommunikation Telecommunication Switch Mechanism needed Gliederung Einleitung Derzeitiger Stand (kurz) Lokale Feldbuskommunikation Digitale Punkt-zu-Punkt-Verbindung – Ergänzung der Feldbustechnik Ethernet-basierte lokale Kommunikation Funkbasierte Sensornetzwerke Stufen der Integration Dienstgüteaspekte bei der integrierten Kommunikation Zu erwartende Entwicklungen 11 Peter Neumann Vom Feldbus zur integrierten Kommunikation Lokale Kommunikation mit Feldbussystemen Feldbussysteme sind überwiegend in der IEC 1158/IEC61784 standardisiert (aber nicht vereinheitlicht) und benutzen unterschiedliche Übertragungstechniken in der Schicht 1 und Protokolle in den Schichten 2 und 7 In bestimmten Anwendungsbereichen sind auch Lösungen auf der Basis von CAN (CANopen) im Feldeinsatz PROFIBUS, Interbus und DeviceNet dominieren am Markt und werden überwiegend eingesetzt in der Fertigungsautomation (PROFIBUS; Interbus, DeviceNet,…) der Prozessautomation (PROFIBUS PA; Foundation Fieldbus) Globaler Marktführer ist PROFIBUS mit seinen Ausprägungen 12 Peter Neumann Vom Feldbus zur integrierten Kommunikation Der PROFIBUS mit seinen Ausprägungen Quelle. Quelle: PNOPNO 13 Peter Neumann Vom Feldbus zur integrierten Kommunikation Gliederung Einleitung Derzeitiger Stand (kurz) Lokale Feldbuskommunikation Digitale Punkt-zu-Punkt-Verbindung – Ergänzung der Feldbustechnik Ethernet-basierte lokale Kommunikation Funkbasierte Sensornetzwerke Stufen der Integration Dienstgüteaspekte bei der integrierten Kommunikation Zu erwartende Entwicklungen 14 Peter Neumann Vom Feldbus zur integrierten Kommunikation Ergänzung der Feldbustechnik durch digitale Punkt- zuPunkt-Kommunikation Beispiele: HART: digitale Übertragung von Gerätedaten, analoge Übertragung von Prozessdaten Æ Einsatz in der Prozessautomation IO-Link: digitale Übertragung der Gerätedaten und der Prozessdaten Æ Einsatz in der Fertigungsautomation Æ hier liegt ein reiches Betätigungsfeld Æ sehr aktive Arbeit der beteiligten Firmen AS Interface Æ Ankopplung einfachster binärer Sensoren 15 Peter Neumann Vom Feldbus zur integrierten Kommunikation IO-Link und Feldbussystem in der Feldebene Quelle: PNO 16 Peter Neumann Vom Feldbus zur integrierten Kommunikation IO-Link ermöglicht durchgängigen Zugriff auf die Sensordaten durch Engineering-Werkzeuge Quelle: PNO 17 Peter Neumann Vom Feldbus zur integrierten Kommunikation Gliederung Einleitung Derzeitiger Stand (kurz) Lokale Feldbuskommunikation Digitale Punkt-zu-Punkt-Verbindung – Ergänzung der Feldbustechnik Ethernet-basierte lokale Kommunikation Funkbasierte Sensornetzwerke Stufen der Integration Dienstgüteaspekte bei der integrierten Kommunikation Zu erwartende Entwicklungen 18 Peter Neumann Vom Feldbus zur integrierten Kommunikation Echtzeitklassen in der Industriellen Automation Klasse 1: soft real-time (Scheduling oberhalb UDP/TCP): skalierbare Zykluszeit; angewendet in der Fertigungs- und der Prozessautomation (local and wide area domain) Klasse 2: hard real-time (Scheduling oberhalb MAC): Zykluszeit 1…10ms. Angewendet für Steuerung (local domain) Klasse 3: isochronous real-time (mit Uhrensynchronisation und Routing mit Time schedule): Zykluszeit 250μs…1ms; Jitter kleiner als 1 μs. Angewendet für Motion Control (local domain). Zusätzlich gibt es die Klasse “non real-time” Lösungen nach IEC 61158/IEC 61784 sind auf diese Klassen verteilt. 19 Peter Neumann Vom Feldbus zur integrierten Kommunikation Gliederung Einleitung Derzeitiger Stand (kurz) Lokale Feldbuskommunikation Digitale Punkt-zu-Punkt-Verbindung – Ergänzung der Feldbustechnik Ethernet-basierte lokale Kommunikation Funkbasierte Sensornetzwerke Stufen der Integration Dienstgüteaspekte bei der integrierten Kommunikation Zu erwartende Entwicklungen 20 Peter Neumann Vom Feldbus zur integrierten Kommunikation Situation in der Automation Prozessautomation: Internationale Standardisierungsaktivitäten: ISA SP 100Æ IEC TC 65 Æ Basis: Funklösung nach IEEE 802.15.4 WirelessHart (IEC; kurz vor IS): Emerson, Siemens, E+H,… WIA-PA (China, IEC; CD): nicht jedes Gerät enthält Router ISA 100a (US): generischer Ansatz, Honeywell als treibende Kraft Forderung NAMUR: Vereinheitlichung von WIA-PA und WirelessHart Nationale Aktivitäten: PNOÆ WSAN-PA auf Basis WirelessHart Fertigungsautomation: Nationale Aktivitäten 21 in PNO Æ TC2, WG „Wireless Sensor Actuator Networks“; WSAN-FA Treibende Kraft: ABB, Festo Basis: Bluetooth (WISA), partielle Verbesserungen bei Synchronisation, Datenformat, Black Channel Listing, Leistung Peter Neumann Vom Feldbus zur integrierten Kommunikation Situation in der Automation Seit längerem im Einsatz: Industrial Bluetooth Potentielle Chance eines einheitlichen Zugangs zu allen wesentlichen Feldbussystemen Wesentlicher neuer Schwerpunkt: Koexistenznachweis der in der Fabrik gleichzeitig arbeitenden Funk-Netzwerke 22 Peter Neumann Vom Feldbus zur integrierten Kommunikation Funkbasierte Kommunikation im PROFIBUS-Umfeld WSAN-FA Quelle: PNO 23 Peter Neumann Vom Feldbus zur integrierten Kommunikation WSAN-PA Gliederung Einleitung Derzeitiger Stand (kurz) Stufen der Integration Integration im lokalen Bereich Integration im globalen Bereich Virtuelle Automatisierungsnetze Dienstgüteaspekte bei der integrierten Kommunikation Zu erwartende Entwicklungen 24 Peter Neumann Vom Feldbus zur integrierten Kommunikation Herangehensweise Einbeziehung von Feldbussegmenten mit anderer Übertragungstechnik (z.B. PROFIBUS PA) in standardisierte Feldbussysteme (z.B. PROFINET DP) mittel Segmentkoppler Einbindung von Feldbussystemen in ein „integrierendes“ Netzwerk (z.B. PROFINET) mittels spezieller Geräte (Link Devices) Mapping der Objekte der Feldbussysteme (ggf. jeweils einem eigenen Objektmodell folgend) auf die Objekte des integrierenden Systems Schaffung der Voraussetzungen für das Engineering (insbesondere das Handling der unterschiedlichen Objekt- und Gerätemodelle) 25 Peter Neumann Vom Feldbus zur integrierten Kommunikation Kopplung von Feldbussegmenten durch Link Devices Engineering Tool Host/FPLC Host/PLC Standard-I/O PROFIBUS DP physics Repeater Standard-I/O Sensor Actuator DP/PA Segmentkoppler Field Device 26 Peter Neumann Field Device PROFIBUS PA physics Field Device Vom Feldbus zur integrierten Kommunikation Kopplung von Feldbussegmenten durch Link Devices Engineering Tool Host/FPLC Host/PLC Standard-I/O PROFIBUS DP physics Repeater z.B. WSAN-FA Basisstation Standard-I/O Sensor Actuator PROFIBUS PA physics Field Device 27 Peter Neumann DP/PA Segment Coupler Field Device Field Device Vom Feldbus zur integrierten Kommunikation wireless DP/WL Segment Coupler Integration von Feldbussystemen durch PROFINET PROFINET Engineering GSDML Controller IO Device PROFINET Linking Device IO Device IO Proxy IO Proxy FB Master PB Master Profibus Slave FB Slave Profibus Slave FB Slave Profibus Slave FB Slave Profibus Slave FB Slave Fieldbus 28 Peter Neumann Linking Device PROFIBUS DP Vom Feldbus zur integrierten Kommunikation Integration von WSAN und IO-Link bei PROFIBUS WSAN-FA Sensor/Actuator PLC IO-Link Sensor/Actuator Standard Sensor/Actuator / Feldbus WSAN-FA Base station Wireless Sensor-/ Actuatorconnection WSANFA Base station Remote IOs WSAN-FA WSAN-FA Sensor/Actuator device Quelle: PNO 29 IO-Link Master Peter Neumann Vom Feldbus zur integrierten Kommunikation IO-Link Slave Sensors/ Actuators Durchgängig funkgestützte Kommunikation im PROFIBUS- Umfeld WSAN-FA Sensor/Actuator PLC WSAN-FA Base station Wireless Sensor-/ Actuatorconnection IO-Link Sensor/Actuator Standard Sensor/Actuator / WirelessFieldbusconnection WSANFA Base station Remote IOs WSAN-FA WSAN-FA Sensor/Actuator device Quelle: PNO 30 IO-Link Master Peter Neumann Vom Feldbus zur integrierten Kommunikation IO-Link Slave Sensors/ Actuators Erforderliche Lösungen Proxy Technologie in Link Devices Mapping der Objekte von den Feldbussystemen zu PROFINET Objekten (Feldbussysteme folgen unterschiedlichen Objektmodellen) Æ unterschiedliche Konzepte Anpassung der Engineering- Konzepte und -Werkzeuge Die PNO hat für die „gängigen“ Feldbussysteme (PROFIBUS, DeviceNet, INTERBUS, AS-I, CC-Link, HART, EtherCAT und CAN open; WSAN-FA) die Integrationsspezifikationen geplant und teilweise erarbeitet. 31 Peter Neumann Vom Feldbus zur integrierten Kommunikation Unterschiedliche Integrationskonzepte Transparente Integration: jedes Feldgerät wird auf ein PROFINET- IO Device abgebildet. Modulare Integration: jedes Feldgerät wird auf ein Modul eines PROFINET-IO Device abgebildet. Kompakte Integration: ein komplettes Feldbussystem wird auf ein Modul eines PROFINET-IO Device abgebildet. Mit dem Integrationsinstrumentarium sind sehr große Automatisierungsinstallationen (Netzwerke) denkbar. Sie sind allerdings auf den lokalen Bereich beschränkt. 32 Peter Neumann Vom Feldbus zur integrierten Kommunikation Gliederung Einleitung Derzeitiger Stand (kurz) Stufen der Integration Integration im lokalen Bereich Integration im globalen Bereich Virtuelle Automatisierungsnetze Dienstgüteaspekte bei der integrierten Kommunikation Zu erwartende Entwicklungen 33 Peter Neumann Vom Feldbus zur integrierten Kommunikation Grundgedanke Transparenter Austausch von automatisierungstypischen Objekten über globale und heterogene Netzwerke Der Automatisierungsfachmann hat den Eindruck, als arbeite er mit einem ihm bekannten lokalen Netzwerk (z.B. PROFINET) Die Infrastruktur „heterogenes Netzwerk“ versteckt alle globalen Mechanismen (so gut es geht) Der Automatisierungstechniker hat natürlich keinen direkten Einfluss auf das Verhalten des heterogenen Netzwerkes und auf die beteiligten Provider. Also braucht er ein Instrumentarium zum Monitoring des gewünschten Kommunikationspfades und einen dynamischen Kommunikationskanal (schaltbar). 34 Peter Neumann Vom Feldbus zur integrierten Kommunikation Einschlägige Aktivitäten für die Integrierte Kommunikation Bei Bedarf werden proprietäre Lösungen erarbeitet, in der Regel Trennung von lokaler und Weitverkehrskommunikation Wichtiges Anwendungsgebiet ist die verteilte Überwachung und Steuerung von virtuellen Kraftwerken und Netzen (Smart Grids) Beispiel: EU Projekt REMPLIÆ Kopplung von PowerLine- Netzwerken mittels Internet Für die Industrieautomation wurde das Europäische Projekt „Virtual Automation Networks“ durchgeführt mit wesentlichen Hauptakteuren der europäischen Automatisierungstechnik 35 Peter Neumann Vom Feldbus zur integrierten Kommunikation Verallgemeinerte Kommunikationsarchitektur für verteilte Energieverteilungsnetze (Smart Grids) Quelle: REMPLI 36 Peter Neumann Vom Feldbus zur integrierten Kommunikation Kommunikationsnetzwerk in Smart Grids (REMPLI) Quelle: REMPLI 37 Peter Neumann Vom Feldbus zur integrierten Kommunikation Kommunikationsarchitektur für die Zählerdaten- und SCADA-Datenübertragung nach REMPLI • Kombination von Gateway- und Tunnelkonzept • Einführung sog. Driver als Protokollelemente, die zur Anpassung an unterschiedliche Protokolle benötigt werden Æ d.h. immer spezielle Treiberentwicklung für unterschiedliche Anwendungsprofile Quelle: G.Pratl, M.Lobashov 38 Peter Neumann Vom Feldbus zur integrierten Kommunikation Gliederung Einleitung Derzeitiger Stand (kurz) Stufen der Integration Integration im lokalen Bereich Integration im globalen Bereich Virtuelle Automatisierungsnetze Dienstgüteaspekte bei der integrierten Kommunikation Zu erwartende Entwicklungen 39 Peter Neumann Vom Feldbus zur integrierten Kommunikation Zielstellung: Verteilte Automatisierung mit heterogenen Geographisch verteiltes Automatisierungssystem Netzwerken Real -time domain Public or Private WAN Telecommunication Networks/Internet Real -time domain Mobile devices VAN Tunnel VAN Device Industrial Domain 40 Peter Neumann PROFINET as basic technology Vom Feldbus zur integrierten Kommunikation Remote Industrial Domain / subsidiary / customer sites Heterogenes Netzwerk in der Industriellen Automation Remote Industrial Domains / subsidiary / customer sites Mobile devices Real-time domain Office sub domains industrial WLAN domain Domain connected via radio link Office domain Public Publicand andPrivate Private Telecommunication Telecommunication Networks/Internet Networks/Internet Industrial Domain Industrial Backbone Mobile devices Industrial Segment Intrinsic safety domain Individual industrial sub domains Real-time domain Source: VAN project 41 Peter Neumann Vom Feldbus zur integrierten Kommunikation VAN-Domänen Quelle: VAN Projekt 42 Peter Neumann Vom Feldbus zur integrierten Kommunikation Bestandteile einer VAN Domäne Non VAN Segment Industrial Domain local - VAN Segment VAN VAN-AD VAN-AD VAN-AD VA VA VA VAN ion t a c i un m m et co n r e l e e t T , In k r o Netw VAN-AP Industrial Domain VAN-AP VAN-AP Industrial Domain local Complete embedded in VAN domain VAN Domain VAN AD VAN AD VAN VAN engineering Station local Local application engineering VAN VAN-AP Access Point partially embedded in VAN domain VAN-AD 43 Peter Neumann Vom Feldbus zur integrierten Kommunikation Automatisierungsspezifische Komponenten VAN- AD VAN VAN Network Capability Automation function Industrial communications FD1 FD2 FD3 Proxy function 44 Peter Neumann FD4 Industrial Communic. capability VAN VAN Network Capability VAN- PD VAN-VD Vom Feldbus zur integrierten Kommunikation FD1 FD1 FD3 FD4 Automation function Adressierungskonzept Eine VAN-Domäne bildet einen Namensraum einer geographisch verteilten Automatisierungsapplikation. Beim Verbindungsaufbau zwischen den logischen Kommunikationsendpunkten (Einrichten des Runtime-Tunnels Æ Verlegung einer virtuellen Leitung zwischen zwei Applikationsobjekten) und für Managementaufgaben werden zur Adressierung logische Adressen (Namen) verwendet, unabhängig von den verwendeten Übertragungstechniken und deren Adressierungsmechanismen (z.B. IP- und Mac-Adressen) in einem heterogenen Netzwerk. Der Namensraum kann ein öffentlicher oder ein privater (in der Regel ein lokaler) Namensraum sein. Ist der Runtime-Tunnel eingerichtet, werden beim Austausch der Produktivdaten die IP- und Mac-Adressen benutzt, welche während des Verbindungsaufbaus ausgehandelt wurden. 45 Peter Neumann Vom Feldbus zur integrierten Kommunikation Möglichkeiten des Produktivdatenaustausches über „native“ Interface: Benutzung von LAN-basierten VAN-Geräten ohne irgendeinen Overhead mit PROFINET IO-Verkehr. Somit sind auch (lokal) hervorragende Echtzeiteigenschaften (isochroner Betrieb mit harten Echtzeiteigenschaften) möglich. Tunnel über öffentliche Netzwerksegmente: errichtet mittels Open VPN und PROFINET IO (Echtzeitdatenaustausch über UDP). Open VPN unterstützt Security-Eigenschaften für den Runtime-Tunnel und ist Firewall-freundlich. 46 Peter Neumann Vom Feldbus zur integrierten Kommunikation Phasen des Verbindungsaufbaus zwischen den Applikationsobjekten Errichtung des Runtime Tunnels: Ausrichtung der VAN-Infrastruktur auf die Verbindung zweier Kommunikationsend-punkte. Dabei werden Web Services eingesetzt. Im Ergebnis ist der Runtime-Tunnel aktiv. Verbindungsaufbau zwischen den Applikationsobjekten selbst unter Nutzung des aktiven Runtime-Tunnels. Der Verbindungsaufbau folgt den Regeln desjenigen Protokolls, welches den Austausch verteilter Automatisierungsobjekte ermöglicht (z.B. Application Layer eines der industriellen Kommunikationssysteme nach IEC 61158/61784). Alle Geräte mit demselben Objektmodell (z.B. für PROFINET) können mittels der VAN-Infrastruktur interagieren. Geräte mit anderen Objektmodellen (z.B. Ethernet/IP) können, wie bereits erwähnt, über ProxyGeräte (VAN-PD) angeschlossen werden. 47 Peter Neumann Vom Feldbus zur integrierten Kommunikation Beispiel Telecontrol Typisches Szenario für eine industrielle VAN-Subdomäne DMZ VAN -AP Profinet Network with several devices VAN - Proxy D1 D3 WAN D2 VAN - Device D4 48 Peter Neumann Vom Feldbus zur integrierten Kommunikation D5 Beispiel Telecontrol. Kooperierende Subdomänen DMZ DMZ VAN -AP VAN -AP W AN Sub Domain 1 Sub Domain 2 VAN - Proxy D1 Profinet Network with several devices VAN - Proxy D1 Profinet Network with several devices D3 D3 D2 D2 VAN - Device D4 49 Peter Neumann D5 VAN - Device Vom Feldbus zur integrierten Kommunikation D4 D5 Beispiel Telecontrol: kaskadierter Tunnel VAN – Device n WAN VAN – Device VAN -AP VAN – Device VAN VAN – Device subdomain N VA s d ub ai om VAN -AP VAN -AP 50 Peter Neumann Vom Feldbus zur integrierten Kommunikation VA N su bd om ain VAN – Device Beispiel Telecontrol: Datenaustausch im Tunnel Jetzt kann der standardmäßige Verbindungsaufbau des Feldbussystems 51 erfolgen. Zu berücksichtigen sind die schlechteren Echtzeiteigenschaften des VANTunnels, die deutlich unter den Möglichkeiten einer echten lokalen Verbindung liegen. Dies korreliert mit den Anforderungen, da im Allgemeinen in der Automatisierung mit großem räumlichen Abstand die zeitlichen Anforderungen an den Datenaustausch sinken. Im Kontext Telecontrol greift hier die Zwischenspeicherung und Zeitstempelung der Prozessdaten. Vor allem aber mit der Weiterentwicklung der Dienstgüte öffentlicher Netzwerke ist eine stetige Annäherung der Echtzeiteigenschaften abzusehen, von der virtuelle Automatisierungsnetze profitieren werden. Peter Neumann Vom Feldbus zur integrierten Kommunikation Gliederung Einleitung Derzeitiger Stand (kurz) Stufen der Integration Dienstgüteaspekte bei der integrierten Kommunikation Übersicht Technische Verfügbarkeit Echtzeitverhalten Funktionelle Sicherheit (Safety) Datensicherheit (Security) Zu erwartende Entwicklungen 52 Peter Neumann Vom Feldbus zur integrierten Kommunikation Dienstgüteaspekte bei der integrierten Kommunikation Technische Verfügbarkeit Echtzeitverhalten Funktionelle Sicherheit (Safety) Datensicherheit (Security) Hier: Behandlung vor dem Hintergrund VAN 53 Peter Neumann Vom Feldbus zur integrierten Kommunikation Technische Verfügbarkeit Das heterogene Netzwerk besteht aus verbundenen Subnetzwerken (Internet, GSM, UMTS...), die sich meist dem Automatisierungsprojektverantwortlichen entziehen Die einzelnen Provider haben ihre Netzwerkmanagement-systeme, die der Automatisierungstechnik nicht zugänglich sind Das betrifft sogar oft den lokalen Bereich (Kompetenzstreitig-keiten mit EDV-Abteilungen (z.B. Portverwaltung) Erforderlich: eigenständiges Monitoring des Runtime Tunnels Mechanismen zur dynamischen Auswahl des Kommunikationskanals (VAN Switching und VAN Routing) 54 Peter Neumann Vom Feldbus zur integrierten Kommunikation QoS Monitoring QoS Monitoring ist eine Laufzeitüberwachung der Qualität des Übertragungsweges, wobei das öffentliche Netz wie eine Blackbox betrachtet wird. Das QoS Monitoring erzeugt zwischen den Zugangspunkten zum öffentlichen Netz einen zusätzlichen, in seiner Größe variablen, jedoch genau definierter Messdatenstrom, mit dessen Hilfe z.B. Latenzen per Zeitstempel oder Datenverlustraten ermittelt werden können. Die Messung ist immer bezogen auf eine Prioritätsklasse Das VAN QoS-Management unterstützt das Mapping von Prioritätsklassen des Automatisierungsprotokolls auf die Prioritätsklassen des Tunnelprotokolls, welches für die Übertragung über WANs verwendet wird. 55 Peter Neumann Vom Feldbus zur integrierten Kommunikation Unterschiedliche priorisierte QoS-Kanäle 56 Peter Neumann Vom Feldbus zur integrierten Kommunikation QoS Management Eine VAN-Funktionalität im Rahmen des QoS-Managements ist die Möglichkeit der Um-, Zu-, oder Abschaltung von Providerzugängen während der Laufzeit, das so genannte Provider Switching. Sind an einem VAN Access Point mehrere Zugangsmöglichkeiten zum öffentlichen Netz konfiguriert - diese können auch von unterschiedlichen Providern sein - kann je nach Bedarf zur Laufzeit zwischen den Zugängen um-, zu-, oder abgeschaltet werden. Die Zugänge können drahtgebundene (DSL,…) als auch drahtlose Zugänge (UMTS,…) sein. Typische Ereignisse, die das Switching auslösen, sind z.B.: 57 das QoS Monitoring erkennt die Verletzung eines festgelegten QoSParameters oder einen höheren Bandbreitenbedarf oder das Verhältnis der Kosten einer Verbindung in Bezug auf die Wichtigkeit der Daten ist unangemessen. Peter Neumann Vom Feldbus zur integrierten Kommunikation VAN Switching Switching bedeutet: Wechsel alternativer Übertragungswege mit unterschiedlichen Zugangstechniken, Konfigurationen und Kosten Abhängig vom Anwendungsfall und der Gerätearchitektur können drei verschiedene Situationen unterschieden werden: Automatische Umschaltung durch ein Switching-Gerät Umschaltung durch einen VAN Access Point mit eingebauter SwitchFunktion Ein Ereignis in der Automatisierungsanwendung oder im Netzwerk verursacht den Wechsel der Verbindung durch ein Switching Gerät Der Runtime-Tunnel bleibt erhalten. Der Wechsel der Übertragungstechnik bleibt dem Runtime-Tunnel (d.h. dem Produktivdatenaustausch) verborgen. 58 Peter Neumann Vom Feldbus zur integrierten Kommunikation VAN Routing Bleibt nach mehreren Switching-Versuchen die Dienstgüte unter den Anforderungen (durch einen QoS-Parameter festgelegt), so muss eine neue Route gefunden werden. Wurde eine neue Route bestimmt, so wird der aktuelle RuntimeTunnel ungültig und muss erneut aufgebaut werden. Die QOS Parameter des VAN Netzwerkes werden formal als ASE Attribute beschrieben. Diese Attribute werden lokal auf die verschiedenen physischen Interfaces während des Betriebes abgebildet. 59 Peter Neumann Vom Feldbus zur integrierten Kommunikation Echtzeitverhalten Echtzeitklassen in der Industriellen Automation Klasse 1: soft real-time (Scheduling oberhalb UDP/TCP): skalierbare Zykluszeit; angewendet in der Fertigungs- und der Prozessautomation (local and wide area domain) Klasse 2: hard real-time (Scheduling oberhalb MAC): Zykluszeit 1…10ms. Angewendet für Steuerung (local domain) Klasse 3: isochronous real-time (mit Uhrensynchronisation und Routing mit Time schedule): Zykluszeit 250μs…1ms; Jitter kleiner als 1 μs. Angewendet für Motion Control (local domain). Zusätzlich gibt es die Klasse “non real-time” 60 Peter Neumann Vom Feldbus zur integrierten Kommunikation Echtzeitverhalten Für den Weitverkehrsbereich können realistisch nur „non real-time“ und „soft real-time“ erreicht werden Im lokalen Bereich gibt es die unterschiedlichen Lösungen (siehe IEC 61158, IEC 61784) Da bei der integrierten Kommunikation lokale und globale Netzwerke gekoppelt sind, können bei konkreten Automatisierungsprojekten alle Echtzeitklassen vorkommen Für VAN-fähige Geräte (z.B. VAN-AP) sind deshalb zwei Interfaces vorgesehen 61 Web-Interface (für Tunnelaufbau und –unterhaltung) Native Interface für echtzeitkritische Anwendungen. Peter Neumann Vom Feldbus zur integrierten Kommunikation Funktionelle Sicherheit (Safety) Für den Weitverkehrsbereich ist das Verfahren des lokalen Bereiches tauglich Æ Safety Layer oberhalb des Application Layer 62 Peter Neumann Vom Feldbus zur integrierten Kommunikation Datensicherheit (Security) Weitverkehrsnetze sind „offen für Jedermann“ Æ deshalb hohe Bedeutung der Datensicherheit für die integrierte Kommunikation Es gibt eine Vielzahl von Lösungsmöglichkeiten aus dem Internet VPN Technologien Paket Filter ACL Æ auf den Mix kommt es an In der Automatisierungstechnik besonders zu beachten: organisatorische Maßnahmen haben hohes Gewicht 63 Peter Neumann Vom Feldbus zur integrierten Kommunikation Gliederung 64 Einleitung Derzeitiger Stand (kurz) Stufen der Integration Dienstgüteaspekte bei der integrierten Kommunikation Zu erwartende Entwicklungen Peter Neumann Vom Feldbus zur integrierten Kommunikation Zukünftige Schwerpunkte Funkbasierte Sensor(/Aktor)-Netzwerke Integrationstechniken Virtual Automation Networks Zusätzliche Engineering-Methoden und –Werkzeuge für Lokale Integration Globale Integration Funkbasierte Kommunikationssysteme 65 Peter Neumann Vom Feldbus zur integrierten Kommunikation Feldbussysteme Die am Markt befindlichen Feldbussysteme werden in den nächsten 5 Jahren stark nachgefragt werden, wahrscheinlich mit noch zunehmender Tendenz. Grund: Der Anteil digitaler Technik im Feldbereich ist noch gering (insbesondere für Prozess-automation) Für die funkgestützten Feldbussysteme werden mit Nachdruck Produkte entwickelt und eingeführt Zuerst für Prozessautomation (auf Basis WirelessHart, in bestimmten Anwendungsklassen auf Basis ZigBee). Second Source für Basisschaltkreis scheint gesichert. Zeitlich versetzt für die Fertigungsautomation (auf Basis Bluetooth/WISA), dann u.U. mit hoher Geschwindigkeit Feldbus/WirelessHart- Segmentkoppler sind zu entwickeln 66 Peter Neumann Vom Feldbus zur integrierten Kommunikation Feldbussysteme Der Teil Funkfeldplanung ist in die Engineering- Systeme zu integrieren (kein leichtes Unterfangen) Eng verbunden damit: Koexistenzsicherung beim Einsatz verschiedener funkbasierter Kommunikationssysteme im Fertigungsumfeld Æ Planung, Tests/Messungen, Zertifizierung IO-Link wird kraftvoll entwickelt und in den 5 Jahren stark nachgefragt werden Æ was wird mit Wireless IO-Link? 67 Peter Neumann Vom Feldbus zur integrierten Kommunikation Integrationstechniken Durch die Integrationsbemühungen der PNO (PROFINET als integrierendes Netzwerk) besteht Bedarf für Link Devices zur Kopplung unterschiedlicher Feldbussysteme mit PROFINET Zusätzlich entsteht Bedarf an Engineering-Methoden und – Werkzeugen für die Integration Da PROFINET als integrierendes System genutzt wird, ergibt sich ein überproportionaler (zusätzlicher) Schub für PROFINET gegenüber PROFIBUS 68 Peter Neumann Vom Feldbus zur integrierten Kommunikation Virtual Automation Networks Die spezifizierten Mechanismen sollten an konkreten Anwendungsfällen der 69 Prozessautomation, Fabrikautomation und Energieerzeugung mit alternativen Energien erprobt und zur Produktreife geführt werden (bisher nur Prototypen) Die bisherigen Implementationen basieren auf Web Services und OpenVPN (für Zwecke der Erprobung und Validierung). Weitere Untersuchungen zum Einsatz von IPSec/IPv6 sind notwendig Basierend auf dem namensbasierten (technologieunabhängigen) Adressierungskonzept ist eine Austauschbarkeit von VAN-Geräten möglich und zu gewährleisten. Mittels PnP-Mechanismen sollte der Transfer von Konfigurationsdaten und Parametern von einem PnP-Manager (in einem Engineering-Werkzeug) zu einem PnP-Agenten im Gerät ermöglicht werden. Untersuchungen zur Heterogenität von Netzwerken sind nötig. Peter Neumann Vom Feldbus zur integrierten Kommunikation Vom Feldbus zur integrierten Kommunikation Peter Neumann ifak Institut für Automation und Kommunikation Magdeburg [email protected] KOMMA 2010 Kommunikation in der Automation Lemgo, 11.November 2010 70 Peter Neumann Vom Feldbus zur integrierten Kommunikation