Effiziente Nutzung von verteilten Automatisierungsfunktionen Mit dem WOAS-Konzept zu Industrie 4.0-basierten Automatisierungslösungen

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1 Effiziente Nutzung von verteilten Automatisierungsfunktionen Mit dem WOAS-Konzept zu Industrie 4.0-basierten Automatisierungslösungen April 2013 Einführung Technologietrends in der Automation Dienste aus der Cloud Von der Funktion zum Automation Service Das Projekt WOAS Ausblick 2013 DT, Prof. Dr.-Ing. Reinhard Langmann

2 Übersicht zum CCAD Im Oktober 2011 wurde an der FH Düsseldorf das Competence Center Automation Düsseldorf (CCAD) gegründet. Damit werden die Ressourcen des Fachbereichs Elektrotechnik auf dem Gebiet der Automatisierungstechnik gebündelt. R&D centre: Duesseldorf Telelaboratory Lab 1: Lab 2: Lab 3: Lab 4: Manufacturing Automation Instrumentation & Control EduNet PLC Lab Fab21 Personal im CCAD: drei Professoren und sechs wissen. Mitarbeiter. Abhängig von den FuE-Projekten arbeiten weiterhin ca Forscher/Studierende im CCAD. Dazu kommen ausländische Forscher und postgrad. Studierende im Rahmen von Gastaufenthalten. Einführung 2

3 Übersicht zum CCAD Im Oktober 2011 wurde an der FH Düsseldorf das Competence Center Automation Düsseldorf (CCAD) gegründet. Damit werden die Ressourcen des Fachbereichs Elektrotechnik auf dem Gebiet der Automatisierungstechnik gebündelt. R&D centre: Duesseldorf Telelaboratory Lab 1: Lab 2: Lab 3: Lab 4: Manufacturing Automation Instrumentation & Control EduNet PLC Lab Fab21 Personal im CCAD: drei Professoren und sechs wissen. Mitarbeiter. Abhängig von den FuE-Projekten arbeiten weiterhin ca Forscher/Studierende im CCAD. Dazu kommen ausländische Forscher und postgrad. Studierende im Rahmen von Gastaufenthalten. Einführung 2

4 Übersicht zum CCAD Im Oktober 2011 wurde an der FH Düsseldorf das Competence Center Automation Düsseldorf (CCAD) gegründet. Damit werden die Ressourcen des Fachbereichs Elektrotechnik auf dem Gebiet der Automatisierungstechnik gebündelt. R&D centre: Duesseldorf Telelaboratory Lab 1: Lab 2: Lab 3: Lab 4: Manufacturing Automation Instrumentation & Control EduNet PLC Lab Fab21 Personal im CCAD: drei Professoren und sechs wissen. Mitarbeiter. Abhängig von den FuE-Projekten arbeiten weiterhin ca Forscher/Studierende im CCAD. Dazu kommen ausländische Forscher und postgrad. Studierende im Rahmen von Gastaufenthalten. Einführung 2

5 Fabrik der Zukunft "Frost & Sullivan (November 2011) sieht für die Fabrik der Zukunft im wesentlichen fünf entscheidende Megatrends Cyber Security, mobile und drahtlose Technologie, unternehmensspezifisches Ökosystem, Cloud Computing und Nachhaltigkeit Welche Veränderungen ergeben sich in der Industrieautomatisierung Die Betonung auf das Produktportfolio der Industrieautomatisierung wird voraussichtlich in den nächsten Jahren abnehmen. Der Bedarf an globalisiertem Service & Support dürfte hingegen, zusammen mit den Kostenfaktoren, an Bedeutung gewinnen. Die Einführung von sicheren Cloud-Computing-Technologien ermöglicht den Zugang zu relevanten strategischen Daten über das Internet, mit deren Hilfe Entscheidungen in Echtzeit gefällt werden können sowie die Betriebseffizienz gesteigert werden kann. Technologietrends in der Automation 3

6 Neue Technologien in der Automation Die klassische Automatisierungshierachie wandelt sich zunehmend zu einer flachen Automatisierungs wolke. heute morgen In der Automatisierungs wolke werden zwei neue Technologien/Paradigmen eingesetzt: Serviceorientierte Architekturen (SOA) und Agententechnologie Beide Strategien bieten die Möglichkeit einheitliche Schnittstellen zu erstellen und eine Kollaboration von der Feldebene bis in die Enterprise-Ebene zuzulassen. Damit lassen sich bei steigender Individualität, Komplexität und Qualität auch weiterhin ein hoher und kosteneffizienter Durchsatz zu generieren Technologietrends in der Automation 4

7 Neue Technologien in der Prozessleittechnik Die klassische Automatisierungshierachie wandelt sich zunehmend zu einer flachen Automatisierungs wolke. Schrittweise Auflösung der klassischen Automatisierungspyramide und Ersatz durch vernetzte, dezentral organisierte bzw. teilweise selbstorganisierende Dienste Quelle: Cyber-Physical heute Systems: Chancen und Nutzen aus Sicht der Automation. morgen VDI/VDE-GMA, April 2013 In der Automatisierungs wolke werden zwei neue Technologien/Paradigmen eingesetzt: Serviceorientierte Architekturen (SOA) und Agententechnologie Beide Strategien bieten die Möglichkeit einheitliche Schnittstellen zu erstellen und eine Kollaboration von der Feldebene bis in die Enterprise-Ebene zuzulassen. Damit lassen sich bei steigender Individualität, Komplexität und Qualität auch weiterhin ein hoher und kosteneffizienter Durchsatz zu generieren Technologietrends in der Automation 4

8 Industrie 4.0 Cyber Physical Systems (CPS) CPS bildet die technologische Grundlage für das Zukunftsprojekt Industrie 4.0 der Bundesregierung im Rahmen der Hightech-Strategie. CPS: Verknüpfung von realen (physischen) Objekten und Prozessen mit informationsverarbeitenden (virtuellen) Objekten und Prozessen über offene, teilweise globale und jederzeit miteinander verbundene Informationsnetze. CPSS: Als Cyber Physical Production System wird die Vision von adaptiven, sich selbst konfigurierenden und teilweise selbstorganisierenden, flexiblen Produktionsanlagen bezeichnet CPS, Industrie 4.0 & Dienste Internet der Dinge und Dienste Netzwerk von Dienstleistungen Cloud-basierte Dienste Verteilte dienstorientierte Architektur SOA-basierte Dienste-Orchestrierung Technologietrends in der Automation 5

9 Was ist eine Cloud? Cloud Computing ist die Bereitstellung von gemeinsam nutzbaren und flexibel skalierbaren IT-Leistungen durch IT-Ressourcen über Netze. Typische Merkmale sind die Bereitstellung in Echtzeit als Self Service auf Basis von Internet-Technologien und die Abrechnung nach Nutzung. Die IT-Leistungen können sich in einer Cloud beziehen auf Anwendungen, Plattformen für Entwicklungen und betrieb, Basisinfrastruktur. Cloud Computing ermöglicht den Nutzern eine Umverteilung von Investitions- zu Betriebsaufwand. Cloud Computing bereitet den Boden für komplett neue Business-Modelle und deren zügige Umsetzung vor. Umsatzsteigerung in 4 Jahre um das Dreifache Dienste aus der Cloud 6

10 Dienste aus der Cloud Dienstleistungen aus der Cloud werden in drei Ebenen unterteilt: Beispiele aus der Automation Anwendungen als Service Software as a Service (SaaS) Bsp.: Google Apps, Microsoft Online Service Wird bisher in der Automation kaum eingesetzt Technische Frameworks, Plattformen als Service Platform as a Service (PaaS) Bsp.: Google App Engine, Microsoft Azur Service idigi spezielle PaaS zur M2M- Kommunikation (Gebäudeautomation) IT-Basis Infrastruktur, HW-Komponenten als Service Infrastructure as a Service (IaaS) Bsp.: Amazon EC2, Microsoft Windows Azur Platform Datenauswertung Windpark, Beckhoff, MS Azur Es ergeben sich folgende Differenzierungsmerkmale von Cloud-Services: Vollständig virtualisierte Ressourcen, Multi-Mandantenfähigkeit Echte verbrauchsabhängige Bezahlung Dienste aus der Cloud 7

11 Forschungen für SOA & Cloud Zur Nutzung von Cloud-Diensten in der Automation werden SOA benötigt, die Automatisierungsfunktionen von Geräten und Systemen in Automatisierungsdienste umsetzen. Forschungsbeispiele SOCRADES: Untersuchung des Einsatzes von Web Services und SOA unterhalb der Managementebene; Integration von Webservices in Automatisierungs-geräte; Umsetzung mit DPWS und OPC UA Laufzeit: Budget: 14 Mio. EUR Projektkoordinator: Schneider Electric IMC-AESOP: Realises a SOA-based approach for next generation of SCADA/DCS systems targeting Very Large Scale Distributed Systems in Process Control Applications Laufzeit: Budget: 7 Mio EUR Projektkoordinator: Schneider Electric Von der Funktion zum Automation Service 8

12 Neue Lösungen für SOA & Cloud Auch im patentrechlichen Bereich gibt es starke Bestrebungen Lösungen für den Einsatz von servicebasierten Cloud-Strukturen für leittechnische und prozessnahen Bereiche zu finden. Beispiele von Patentanmeldungen Verfahren zur Entwicklung eines Multi-Agenten-Systems sowie Multi-Agenten-System SOA in der Automatisierungstechnik; Geräte bieten sich untereinander ihre Dienste an 2009, Schneider Electric Automation Cloud computing for an industrial automation and manufacturing system Ein Client ist in der Lage ist festzustellen, ob ein Prozess für die Auslagerung in eine Cloud geeignet ist und er diese Auslagerung auch vornehmen kann. 2009, Honeywell Verfahren zum Integrieren von zumindest einem Feldgerät in ein Netzwerk der Automatisierungstechnik Integration von beliebigen Automatisierungsgeräten mittels Erstellung eines virtuellen Abbildes und Nutzung des Cloud-Computing 2010, Endress+Hauser Von der Funktion zum Automation Service 9

13 Ziestellung Projekt: Architektur und Schnittstellen für ein WebOrientiertes AutomatisierungsSystem Finanzierung: BMWi + Partner, EUR Laufzeit: (30 Monate) Zielstellung Ziel 1: Neue Architektur für Automatisierungssysteme (SCADA,PLS,DCS) auf der Basis von Webtechnologien. WOAS (Client = Webbrowser) WOAS-Cloud AS AS AS SK SK SK AS Ziel 2: Neue Betreibermodelle, die eine Nutzung verteilter Automatisierungsfunktionen als Dienste ermöglichen. AF Automatisierungsfunktion AS Automatisierungsservice SK Systemkern Das Projekt WOAS 10

14 Ziestellung Projekt: Architektur und Schnittstellen für ein WebOrientiertes AutomatisierungsSystem Finanzierung: BMWi, EUR Laufzeit: (30 Monate) Zielstellung Ziel 1: Neue Architektur für Automatisierungssysteme (SCADA,PLS,DCS) auf der Basis von Webtechnologien. WOAS (Client = Webbrowser) WOAS-Cloud AS AS AS SK SK SK AS Ziel 2: Neue Betreibermodelle, die eine Nutzung verteilter Automatisierungsfunktionen als Dienste ermöglichen. AF Automatisierungsfunktion AS Automatisierungsservice SK Systemkern Das Projekt WOAS 10

15 Besonderheiten von WOAS Entwicklung eines dynamisch generierbaren WOAS-Kerns als XML-Bauvorschrift für ein Automatisierungssystem mit wohldefinierten Schnittstellen. Kombination von Cloud-Technologie mit SOA-basierten Automatisieungsdiensten. Entwicklung eines Clearing-Systems zur Abrechung feingranularer Dienste nach dem SaaS-Prinzip. Integration von MashUp-Technologien (Web2.0) in eine hybride Servicestruktur (Verbindung einer Server-basierten mit einer Web-Orientierten Struktur). Untersuchung der Sicherheit von hybriden Cloud-Lösungen (Public Cloud/Privat Cloud) zum Rechteabgleich, Authorisierung und Zugriffsschutz. Anbindung marktüblicher Feldsysteme über Standardprotokolle ( z.b. OPC DA, OPC UA, MODBUS TCP). Nutzung von Automatisierungsdiensten unterschiedlicher Anbieter durch offene Schnittstellen. Das Projekt WOAS 11

16 Web-basiertes Automat.system (klassisch) kostenfrei Webbrowser Automation Functions Laden der jeweiligen AS-Webseite TCP/IP WebServ Engineering-PC Webspeicher für das AS AutomationSystem (Runtime) IF IF IF kostenpflichtig (Lizenz) Kostenpflichtiges Stand-Alone-AS Proprietäres System Updates beim Nutzer erforderlich Geschlossene Systemstruktur Steuerung Steuerung Steuerung technischer Prozess Das Projekt WOAS 12

17 Web-orientiertes Automat.system (WOAS) Webbrowser Automation Services WOAS kernel (Runtime) kostenpflichtig (Nutzungszeit) WOAD server (services) WebServ kostenfrei TCP/IP WOAS portal WebServ Engineering (WOAS creator) WOAS kernel WebServ = Bauvorschrift für ein Automatisierungssystem WebServ Typ A Steuerung Steuerung Steuerung technischer Prozess Typ B WOAS Device Gateways Das Projekt WOAS 13

18 Grundprinzip Ein WOAS wird in einem Projektierungsprozess mittels eines Werkzeuges (WOAS- Portal/Creator) erzeugt und besteht aus n Webseiten (views), die jeweils genau einen WOAS-Kernel beinhalten WOAS skeleton Das WOAS skeleton wir auf einen durch den Nutzer zugänglichen WOAS-Server abgespeichert. Ein WOAS skeleton ist selbst noch kein Automatisierungssystem, sondern beinhaltet nur die Vorschrift zur Erzeugung eines WOAS. Erst durch Ausführen dieser (komplexen) Vorschrift in einem Webbrowser entsteht dynamisch ein WOAS. WOAS skeleton View 1 WOAS kernel 1 View 2 WOAS kernel 2... View n WOAS kernel n Das Projekt WOAS 14

19 Web-orientierte Automatisierungsdienste Web-orientierte Automatisierungsdienste (WOAD) realisieren in WOAS die Automatisierungsfunktionen. Für eine strukturierte Nutzung werden WOAD beschrieben und modelliert. Beispiele von WOAD Bedienen&Beobachten Online- Prozessvisualisierung Historische Trendanalyse Bedienelemente Für die Verwaltung, Publikation und Nutzung von WOAD existiert ein WOAD- Verzeichnis (Repository), in dem die WOAD mit ihren Eigenschaften aufgelistet sind. Das Projekt WOAS 15

20 Akteure in einem WOAS WOAS schafft die Basis, um herstellerunabhängig Automatisierungsdienste zusammen mit Automatisierungsgeräten verteilt im Netz in einheitlicher Art und Weise verbinden zu können. WOAS-Creator im Webbrowser Customer: Projektiert sein nutzerspezifisches Aut.system. User: Nutzt das Aut.system zur Runtime. Provider: Bietet eigene Aut.dienste an Manufacturer: Integriert eigene Geräte. Host: Verwaltet und betreibt das WOAS-Portal Das Projekt WOAS 16

21 Vergleich klassisches AS - WOAS Klassisches AS Web-Orientiertes Automatisierungssystem Eigenschaften Klassisches AS WOAS Kostenpflichtiges Stand-Alone AS AS entsteht kostenfrei dynamisch zur Laufzeit Kostenfreie Automatisierungsfunktionen Kostenpflichtige Automatisierungsdienste Updates beim Nutzer erforderlich Keine Updates beim Nutzer erforderlich Geschlossene/proprietäre Systemstruktur Offene/wohlstrukturierte Systemstruktur Das Projekt WOAS 17

22 Weitere Arbeiten CICS - Cloud-based Industrial Control Services: Erforschung einer Referenzarchitektur für Webbasierte Steuerungsdienste nach IEC unter Berücksichtigung der IEC BigCinA Big Data Cloud Services in Automation: Nutzung von verfügbaren Standard-Cloud-Services für Big- Data-Auswertungen in Automatisierungssystemen. Ausblick 18

23 Fazit Einer der mächtigsten globalen Trends, der aber von vielen Unternehmen noch stark unterschätzt wird, ist die Vernetzung über das Internet. Seien heute schon Millionen von Menschen bereits in Online-Netzwerken wie Facebook, Twitter und Co. vernetzt, werde genau diese Vernetzung in Zukunft auch für Produkte und Dienstleistungen gelten. Das Web 3.0 kommt. Das Internet der Dinge und Dienste. Das wird unser aller Geschäftsleben grundlegend verändern. Zitat Fehrenbach, 2011, Vorsitzender der Geschäftsführung der Robert Bosch GmbH Hört das denn mit dem Web nie auf? Im Gegenteil, 2015 werden die Hälfte der Weltbevölkerung und viele Anlagen im Web sein. Je früher Sie dabei sind, desto besser! Ausblick 19

24 Kontakt Vielen Dank für Ihre Aufmerksamkeit! Prof. Dr.-Ing. Reinhard Langmann Düsseldorf University of Applied Sciences Competence Center Automation Düsseldorf (CCAD) Josef-Gockeln-Str. 9 D Düsseldorf Tel. (+49) Fax. (+49) info@ccad.eu More information about WOAS: