Virtualisierung in der Automatisierungstechnik am Beispiel des SIMATIC S Software Controller

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1 PC-based Workshop Virtualisierung in der Automatisierungstechnik am Beispiel des SIMATIC S Software Controller siemens.de/pc-based

2 Vorteile von Virtualisierung in der Informationstechnik Virtualisierung à Ressourcen eines PC aufteilen oder zusammenfassen à Bereitstellen einer Abstraktionsschicht für Zugriff auf Hardware (Isolation von eigentlicher Hardware) Optimale Ausnutzung von Ressourcen Migration "alter" Software auf aktuelle Hardware Isolation / Trennung von Systemen Einfache Installation / Verteilung Leistungsfähige PCs führen mehrere unabhängige Ablaufumgebungen aus Wichtige alte Software kann auch auf aktueller Hardware ausgeführt werden Geschützte, vertrauenswürdige Umgebung und unsichere Programme auf einem PC (z.b. Bring your own device ) Kopieren anstelle von Installieren Unabhängig vom Ort leichtes Verschieben möglich Seite 2

3 Anforderung in der Steuerungstechnik Hohe Performanz und Deterministik Hohe Verfügbarkeit des Gesamtsystems Sicherstellen von Zyklen entsprechend technologischen Anforderungen Bedienen von schnellen, äquidistanten Feldbussen Wirtschaftlichkeit und Sicherheit hängt von Verfügbarkeit des Systems ab Integration verschiedener Aufgaben Steuern und Regeln, Visualisieren usw. auf einem PC-System mit geringer Wechselwirkung Seite 3

4 PC-Plattform echtzeitfähig? Echtzeitfähigkeit auf PC-Plattform z.b. VxWorks, QNX Echtzeit-Betriebssystem Echtzeiterweiterung für Standardbetriebssstem z.b. IntervalZero RTX, tenasys INtime RTOS, RT-Linux Spezifisches Know-how Teilweise spezielle Entwicklungsumgebungen Integration von Anwendungen (Datenbank, Bildverarbeitung, HMI) erfordert teilweise Speziallösungen Standardanwendungen können weiter verwendet werden (Datenbank, Bildverarbeitung, HMI) Kompromisse und Abhängigkeiten vom Gast bleiben (z.b. geteilte Ressourcen, etc.) Seite 4

5 SIMATIC WinAC RTX (F) 2010 Basiert auf IntervalZero RTX Echtzeiterweiterung für Deterministischer Peripherieanschluss über PROFIBUS und PROFINET (einschl. taktsynchronem Betrieb) Installation von zusätzlicher -Software möglich (z.b. HMI, Datenbank, etc.) XP und 7, 32 Bit Offenheit und Integrationsfähigkeit dank ODK Für harte Echtzeitaufgaben SIMATIC S7-300/400 kompatibel Auch als fehlersichere Variante WinAC RTX F 2010 verfügbar Seite 5

6 SIMATIC WinAC RTX (F) 2010 Basis ist Echtzeiterweiterung für Einschränkungen / Nachteile Startup abhängig vom (relativ langsam) Kein Neustart von ohne SPS Stopp Abhängigkeit vom -File-System (z.b. umfangreiche remanente Daten, Konfiguration, etc.) Nur Betriebssystem als Host (WinAC RTX 2010 nur 32 Bit) Für Echtzeiterweiterungen zusätzliches IntervalZero RTX SDK notwendig Seite 6

7 PC-Plattform echtzeitfähig? Echtzeitfähigkeit auf PC-Plattform z.b. VxWorks oder QNX Echtzeit-Betriebssystem Echtzeiterweiterung für Standardbetriebssstem z.b. IntervalZero RTX, tenasys INtime RTOS oder RT-Linux Spezifisches Know-how Teilweise spezielle Entwicklungsumgebungen Integration von Anwendungen (Datenbank, Bildverarbeitung, HMI) erfordert teilweise Speziallösungen Standardanwendungen können weiter verwendet werden (Datenbank, Bildverarbeitung, HMI) Kompromisse und Abhängigkeiten vom Gast bleiben (z.b. geteilte Ressourcen, etc.) è Dritter Ansatz Virtualisierung? Seite 7

8 Virtualisierungskonzepte Virtualisierung Typ 1 Hosted Hypervisor Typ 2 Bare Metal Hypervisor Virtualisierte Ressourcen Emulierte Ressourcen Bare Metal Ressourcen Virtualisierte Ressourcen Emulierte Ressourcen Z.B. VmWare Workstation, KVM Z.B. VmWare ESXi Server, RTS Real-Time-Hypervisor, Citrix XenServer Seite 8

9 Typ-2-Hypervisor (Native oder Bare Metal) Bare Metal Hypervisor Bare Metal Ressourcen Aufteilen der Ressourcen Exklusiver Zugriff durch einen Gast Intel VTx, AMD-V Multi-Core CPUs Echtzeitfähigkeit möglich! Virtualisierte Ressourcen Spezielle API in Hypervisor für angepassten Gast Emuliertes Gerät für Standardgast (keine Anpassung nötig) Hohe Performance bei minimale Wechselwirkung Emulierte Ressourcen PC Ressourcen werden emuliert, z.b. Netzwerkkarte, serielle Schnittstelle oder Massenspeicher Keine Anpassung am Gast notwendig Keine Echtzeitfähigkeit Seite 9

10 Der SIMATIC S Software Controller Appl. Appl. Appl. Siemens Hypervisor CPU 1505S Siemens Hypervisor à Bare Metal Hypervisor S Steuerung auf einem PC Nutzung Standard PC Ressourcen für SPS (CPU, Massenspeicher, Feldbusschnittstellen) Verbesserte Verfügbarkeit und Stabilität mit einem Maximum an Unabhängigkeit zu Sicherheit und Schutz für Steuerungsanwendungen mit Software Controllern auf höchstem Niveau Open Controller Seite 10

11 SIMATIC S Software Controller Basis ist Siemens Bare Metal Hypervisor Möglichkeiten / Vorteile Boot unabhängig vom à sehr schnell Neustart von bei ununterbrochen laufender SPS Weiterer Gast relativ unabhängig (z.b. WES7 64 Bit) Keine Abhängigkeit -File-System (remanente Daten, Konfiguration, etc.) Funktion auch im Blue Screen (z.b. durch SW-Fehler in ) Sehr gute Abschottung durch Hypervisor à Security / Know-How-Schutz C/C++ Erweiterungen unter und Echtzeit Download von Programm und PC-Konfiguration (Keine Doppelte Konfiguration mehr) Firmware-Code weitgehend identisch mit S CPU Konzept ist offen für zukünftige Erweiterungen Seite 11

12 SIMATIC S Software Controller Trennung der PC Ressourcen Beispiel: SIMATIC IPC mit Core i7-3517ue (2C/4T, 1.7(2.8)GHz) WES7, 32 Bit WinAC RTX 2010 Echtzeiterweiterung CPU 1507S Siemens Bare Metal Hypervisor 2 Kerne mit Hyperthreading à 4 logische Kerne Hyperthreading ON 1 logischer Kern für RTX à 3 verbleibende log. Kerne Hyperthreading OFF 1 Kern für RTX à 1 verbleibender Kern 1 physischer Kern durch CPU 1507S à 2 verbleibende log. Kerne Seite 12

13 SIMATIC S Software Controller Unabhängig vom PC CPU Core memory Appl. Appl. Appl. Siemens-Hypervisor Ethernet graphics SIMATIC Communication CPU 1507S CPU Core memory PROFI- NET PROFI- BUS Partitionierung des PC durch Siemens-Hypervisor Exklusiver CPU Kern à Deterministik und Performance für die SPS Exklusiver Speicher à Bestmögliche Sicherheit und Know-how Schutz Exklusive Feldbus Schnittstellen à Harte Echtzeit für PROFINET und PROFIBUS SIMATIC Kommunikationsarchitektur Lokale Kommunikation von Software Controller mit HMI und anderen Anwendungen SPS-Kommunikation über - und PROFINET verfügbar (Engineering, HMI, TCP/UDP, Web-Server) Seite 14

14 S Software Controller Konzept für Massenspeicher PC Appl. Appl. -unabhängiger Zugriff auf HDD/CFast/SSD arbeitet auf emuliertem Massenspeicher Software Controller hat speziellen para virtualisieren Zugriff auf Massenspeicher à Unabhängig vom Zustand des anderen Gast-OS!! Appl. CPU 1507S Configuration User files If file storage configured: Siemens-Hypervisor Program Archives Diag Buffer Virtualisiert Para-virtualisiert Initial Data Recipes Process Data Private Data load memory Retentive Data PC Mass Storage Seite 15

15 Systemhochlauf Starte Hypervisor Boot PC Erzeuge Gast 0 Erzeuge Gast 1 Optional (für Service) Boot-Menü 1 & CPU 1505S (default): Startet nach 5 sec den Hypervisor Dieser startet parallel und den Software Controller 0 Startet ohne Hypervisor für Service-Zwecke Starte Starte Starte Software Controller Seite 16

16 Live Demo Reboot with SIMATIC S Software Controller Seite 17

17 SIMATIC S Software Controller Seite 18

18 SIMATIC S Software Controller Highlights CPU 150xS Unterstützte Plattformen 7 32 and 64 Bit Microbox IPC4x7D Box/Rack/Panel IPC6x7D/8x7D Performance Verbesserte Code Bearbeitung 64 Bit Ausnutzung Schneller PC boot Kompatibilität und Skalierbarkeit Code Kompatibilität zu S Motion & Trace Vollständige Projektierung mit TIA-Portal keine lokalen Einstellungen Seite 19 Robustheit Innovatives Echtzeitkonzept basierend auf Virtualisierungskonzepten 100 % Entkopplung von Reboot bei laufender Steuerung Usability Display Applikation für einfache Bedienung Security Verbesserter Kopier- und Know-How- Schutz Verbesserte Kommunikationssicherheit Open Development Kit Ausführung von Real-time Algorithmen Aufruf von DLLs

19 SIMATIC S Software Controller Portfolio IE/PN S Software Controller PROFIBUS PROFINET / IE ET 200SP Open Controller CM DP CPU Typ CPU 1507S CPU Typ CPU 1515SP PC DP Master Schnittstellen 1 2 Unter Verwendung von PC-Schnittstellen (1 Schnittstelle mit PN IO) Schnittstellen Das Bild kann DVI I 3 x USB IE/PN Controller 1 1 Programm- / Datenspeicher 5 MB 20 MB Programm- / Datenspeicher 1 MB 5 MB Bit Performance 1 ns (Microbox, Core i7) Bit Performance 10 ns IO Devices 128 IO Devices DP Slaves Standard Motion 60 Achsen Standard Motion 30 Achsen HW Voraussetzungen IPC4x7D, IPC6x7D, IPC8x7D 7 32/64 Bit WES 7 32/64 Bit 4 GB RAM 550 Mbyte freier Festplattenspeicher HW Optionen WES 7 32 Bit 2 GB RAM 8 GB CFast WES 7 64 Bit 4 GB RAM 16 GB CFast Seite 20

20 SIMATIC S Software Controller Kommunikationsfunktionen Appl. SIMATIC Communication S Software Controller Funktionalität nur über exklusive Schnittstellen der CPU: PROFIBUS DP PROFINET IO S7-Kommunikation Ethernet -Schnitstelle ( Kommunikation) Webserver (HTTP) ES / HMI Zugriff S7-Kommunikation (PBK) mit S CPUs OUC (TCP / UDP) Modbus TCP TMail PROFI- NET Exklusive Schnittstelle PROFINET IO PROFIBUS DP PROFI- BUS Webserver (HTTP / HTTPS) ES / HMI Zugriff S7-Kommunikation (PBK) mit S7-1500, 300, 400 OUC (TCP / UDP / ISOonTCP) Modbus TCP TMail Funktionalität über alle CPU und Schnittstellen: ES / HMI Kommunikation Open User Communication (OUC) Webserver Zugriff S7-Routing Funktionalität PC-Intern: HMI Kommunikation Open User Communication (OUC) Webserver Zugriff (HTTP) Seite 21

21 S Software Controller Übersicht: Speichern remanenter Daten Speicherung auf der Festplatte Speicherung der kompletten Daten (Merker, Timer/Counter, DB) möglich USV erforderlich CPU Volume Speicherung auf NVRAM mit SIMATIC IPC ET200SP PC OC 410 KB, Microbox IPC427D 167 KB, Box 627D/827D 67 KB Datenspeicherung auch ohne USV Unterstützung Datenspeicherung bei BlueScreen möglich Konfiguration in STEP7 Rezepte und Archive Speichern von Prozessdaten und Logging Informationen Lesen von Rezepturdaten CSV File Format Speicherpfad: Ladespeicher (CPU Volume) Seite 22

22 SIMATIC S Generation Neue Funktionen Motion Control Funktionalität Integrierte PID Regelung Integrierter Trace Integrierte Systemdiagnose Webserver mit anwenderdefinierten Seiten Verbesserte Security und Know-How-Schutz Seite 23

23 Live Demo SIMATIC S Software Controller im TIA Portal Seite 26

24 Zusammenfassung Bare Metal Hypervisor als Grundlage für Virtualisierung für SIMATIC S Software Controller Zentrale PC-Ressourcen mit direktem, exklusivem Zugriff (Speicher, CPU, Feldbus-Schnittstellen) SIMATIC S7-150xS kombiniert Zuverlässigkeit und Performance dank Bare Metal Hypervisor mit Standard-Betriebssystem Integration von C/C++ Funktionen sowohl in Echtzeit als auch möglich mit Open Development Kit Kein spezielles SDK für Echtzeiterweiterungen mehr nötig Konzept offen für zukünftige Erweiterungen Seite 27

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