Cyber Physical Systems: Bottom-Up

Transkript

1 Folie 1 Cyber Physical Systems: Bottom-Up

2 Folie 2

3 Folie 3 Technik/ Knoten

4 Folie 4 Ein CPS-Knoten und seine Umgebung Ein-/ Ausgabe µ-controller Übertrager Medium Knoten-Chip Transceiver Herr Mustermann vorprogrammierte EA-Typen - Twisted Pair - 230V~ Netzleitung - Funk etc.

5 Folie 5 Prozess Takt Service Netzteil Knotenaufbau (konkretes Beispiel LON) Neuron-Chip 11 Pin 5 Pin E/A-Beschaltung Transceiver RAM / EEPROM / ROM Ext. Speicher (nur 3150) Übertragungsmedium: Zweidrahtleitung (Twisted-Pair TP), Starkstromnetz (Power-Line PL), Funk (Radio-Frequency RF),...

6 Folie 6 Neuron 3120 und Neuron Pin-Anwendungsschnittstelle (für Relais, LED, digitale Eingänge, Zähler usw.) CPU 1 CPU 2 CPU 3 RAM 1 KByte (3120) 2 KByte (3150) EEPROM 512 Byte ROM 10 KByte (nur 3120) Abschluss für externen Speicher (nur 3150) 5-Pin-Netzwerkschnittstelle Anschluss an Transceiver maximal 1,25 Mbit/s

7 Folie 7 Neuron 3150 Erweiterungsbus Ucc 5V Medienzugriff CPU 1 Netzwerk CPU 2 Anwendung CPU 3 E 2 PROM RAM Uss 8-bit-Datenbus 16-bit-Adressbus Steuerbus Takt & Timer Anwendungsschnittstelle 20-mA-Treiber, Pullup-Widerstände Service Netzwerkschnittstelle Reset Service Clock I/O 0...I/O 10 CP 0...CP 4

8 Folie 8 Neuron Chip CPU 2: Netzwerkmanagement, Adressierung CPU 1: Buszugriff Kollisionserkennung CPU 3: Anwendungsprogramm Speicher für: Neuron-ID (MAC) Firmware Anwendungsprogramm Konfiguration Verknüpfungen Betriebsdaten + externer Speicher Kontrolle & Timer I/O Transceiveranschluß

9 Folie 9 Knotenaufbau: Beispiel

10 Folie 10 Übertragungs -medien

11 Folie 11 Twisted-Pair (TP) Verdrillte Zweidraht-Leitung Übertragungsmedien Übersicht Power Line (PL) V Funk (Radio Frequency RF) Lichtwellenleiter (Fiber Optic) Koaxialleiter

12 Folie 12 Physikalische Netzwerk- Strukturierung

13 Freie Topologien Ring-Topologie Stern-Topologie K K K K K K K K K K K K K K K gemischt verzweigte Topologie K K K K K K K K K K Folie 13 K = Netzwerk-Knoten = Bus-Abschluss

14 Folie 14 Freie Netztopologie: bei eingebetteten CPS weit verbreitet Linie Baum Ring Freie Polarität

15 FTT10-A / LPT-10A in freier Topologie mit JY(St)Y 2 2 0,8 Abstand zwischen beliebigen Knoten: Abstand zwischen beliebigen Knoten und Busabschluß bzw. Link-Power-Supply: Gesamtleitungslänge: max. 320 m max. 320 m max. 500 m maximal 320 m K K K K maximal 320 m Folie 15 K = Netzwerk-Knoten = Bus-Abschluss

16 FTT / LPT in Bus- / Linientopologie Große Leitungslänge Zwei Busabschlüsse an den Leitungsenden erforderlich Länge der Stichleitungen = maximal 3 m keine beliebige Verzweigung zulässig daher schwer erweiterbar, insbesondere bei Unterputz-Installation Busabschluss 107 max. 3 m K K K K K Folie 16 K = Netzwerk-Knoten = Bus-Abschluss

17 Folie 17 Repeater als Verstärker Erhöht die maximale Netzausdehnung TPT 1,25 Mbit/s Repeater Repeater Erhöht die maximale Knotenanzahl FTT 78 kbit/s FTT 78 kbit/s... Repeater maximal 64 Knoten maximal 64 Knoten

18 Bus-Beleuchtungssteuerung über Zweidrahtleitung (Twisted-Pair) K K K Neubau Twisted-Pair FTT Router Eingang Zentral- Werkstatt 1 Aus Anwendungsbeispiel: Router als Koppelelement K K K Folie 18 Altbau Power-Line PLT Büro1 Büro 2 Büro 3 Bus-Beleuchtungssteuerung über 230-V-Netzleitung (Power-Line)

19 Folie 19 FTT 1,25 Mbit/s Router < 64 Knoten FTT 78 kbit/s > 64 Knoten FTT-10 Repeater > 2700 m in Linie > 64 Knoten FTT-10 Router > 500 m in FT Repeater Router FTT 78 kbit/s Infrastruktur großer Netze Repeater Router FTT 78 kbit/s... > 2700 m in Linie Repeater > 64 Knoten Knoten

20 Folie 20 Ethernet PLT 22 Router TPT 1,25 Mbit/s > 130 m Repeater Gateway Router FTT 78 kbit/s Infrastruktur großer Netze Router FTT 78 kbit/s... Repeater > 64 Knoten Knoten Netzwerkabschluss

21 Folie 21 42V= Topologie: Backbone Prinzipiell hierarchiefrei Senkrechter Channel ( Backbone ): Allgemeine Funktionen wie PC oder Uhr Spannungsversorgung, jedoch mind. Busabschluß Router trennt logische Einheiten; z.b. 1 Channel / Etage

22 Folie 22 Backbone: Wo gehört was hin? Je zentraler die Funktion eines Nodes, desto zentraler ist er auch anzuschließen: Die Systemuhr mit dem Zeitsignal für alle Nodes gehört auf den Backbone Die Zutrittserfassung für die Etage gehört auf den Etagenbus Allgemeiner formuliert: Signale sollen möglichst wenige Router passieren Zu allen Empfängern sollen die Signale möglichst gleich viele Router passieren

23 Folie 23

24 Folie 24 Logische Netzwerk- Strukturierung

25 Folie 25 Domain 1 Domain 2 Channel 2 Channel 3 Router Subnet Subnet Router Channel 4 Subnet Logische Netzwerk- Struktur Domain Subnet Node N N N N N N N N Channel 2 Channel 1 Subnet Router Subnet N N N N N N N N N N N N Channel 5 N N N N Group

26 Folie 26 PLT mit 5 kbit/s Router mit Filterfunktionen übernimmt Adress-Filterfunktionen und schafft somit eine Buslastentkopplung Router A TPT 1,25 Mbit/s A Repeater Router Router B FTT 78 kbit/s Router C FTT 78 kbit/s... Repeater B

27 Folie 27 Routertypen Vorkonfigurierte (Configured) Router filtern Telegramme anhand der Subnet-ID werden vom Inbetriebnahme-Tool mit einer Filtertabelle versorgt, die das Tool auf Basis der eingetragenen Projektdaten selbsttätig erstellt Router- Typen Selbstlernende (Learning) Routers filtern Telegramme anhand der Subnet-ID lassen nach Reset alle Telegramme passieren erstellen selbsttätig ihre Filtertabelle durch Beobachtung des Telegrammverkehrs auf beiden Seiten Bridges filtern auf Basis der Domain-ID im Telegramm bilden die Brücke zwischen zwei Domains verhalten sich wie Repeater in Netzen mit nur einer Domain (keine Filterung) Routeraufbau: Transceiver A Neuron A Neuron B Transceiver B

28 Folie 28 Logische Adressierung Nodes Einwohner Subnet Subnet Zustellbezirk Domain Stadt Group Verein Group Domain

29 Folie 29 Eindeutige Adresse Physikalisch: Node-ID bzw. MAC Logisch: Subnet + Node 8 bit + 7 bit Meistverwendet; Automatische Vergabe möglich Group + Member 8 bit + 6 bit

30 Folie 30 Anwendung von Subnet & Group Subnet Alle Nodes eines Büroflures, einer Etage etc. Räumlich zusammen gehörende Nodes Group Alle Rauchmelder im Gebäude Alle Jalousien auf einer Gebäudeseite Verteilte, aber funktional zusammen gehörende Nodes

31 Folie 31 Adressierung in Zahlen 255 Subnets je Domain Zustellbezirke je Stadt 127 Nodes je Subnet (egal ob FTT oder LPT) Einwohner je Zustellbezirk Nodes 256 Groups je Domain Vereine je Stadt 64 Nodes je Group bei bestätigtem Dienst Vereinsmitglieder 15 Groups je Node Einwohner gehört max. 15 Vereinen an

32 Folie 32

33 Folie 33 Wirtschaftliche Anwendung

34 Folie 34 Maschine

35 Folie 35 Restaurant (Systemgastronomie)

36 Folie 36 Fahrzeug

37 Folie 37 Gebäude

38 Folie 38 Standardbüro: Funktionen Raumtemperaturregelung Frostschutz, Sollwertverst. Anwesenheitsgesteuert Fensterkontakt Licht manuell, Sollwert Lichtreg. Anwesenheitsgesteuert Zutritt Berührungslose Identifikation, Person-, Zeit- und Raumabh. Sonnenschutz Manuell und automatisch Gemeinsame Funktionen Manuelle Bedienung Anwesenheit - Klima -Licht

39 Folie 39 CPS-Einsatzgebiete Agrartechnik Automatisierungstechnik Büromaschinen Bürosysteme Consumer-Elektronik Diagnose, Test und Inspektion Energietechnik Fabrikautomation Fahrzeugtechnik Förder- und Lagertechnik Gebäudeautomation Heimautomation Identifikationssysteme Lichttechnik Luftfahrt/Raumfahrt Maschinenbau Medizintechnik Prozess-Steuerung Rechner/Peripherie Restaurant-Automation Robotertechnik Sicherheitstechnik Steuerungstechnik Telekommunikation Umwelttechnik Verkehrstechnik...

40 Folie 40 CPS-Einsatz Wozu brauchen wir die neuen Anwendungen? Welche Vorteile bieten CPS bei etablierten Anwendungen?

41 Folie 41 CPS-Einsatz Wozu brauchen wir die neuen Anwendungen? Google Glass? vernetzte Zahnbürste? Welche Vorteile bieten CPS bei etablierten Anwendungen?

42 Folie 42 Beispiel Gebäude: Integration der Gewerke Heizung Lüftung Beleuchtung Klima Sanitär CPS-Vernetzung Sonnenschutz Zutrittskontrolle Hausgeräte Türen, Tore Sicherheit

43 Folie 43 Integration der Gewerke Konventionell Diskrete Verkabelung Separate Bedienelemente für jedes Gewerk Anpassung an Nutzungsänderungen nur durch Umverdrahtung

44 Folie 44 CPS Integration der Gewerke Gemeinsames Netzwerk Reduzierte Verkabelung Geringere Brandlast Gemeinsame Bediengeräte und gemeinsame Sensoren Einheitliche Bedienphilosophie Reduzierter Geräteaufwand Verknüpfung durch Software Flexible Anpassung Zukunftssicherheit

45 Folie 45 Integration der Gewerke Konventionell CPS-Vernetzung

46 Folie 46 Vorteile und Nutzen für Bauherren und Betreiber: Investitionskostenersparnis... Betriebskostenersparnis... Komfort... Einheitliche Bedienung Flexibilität bei Änderungen und Erweiterungen Vorteile (Überblick) Gebäude-Transparenz (durch Visualisierung, Fernüberwachung) Zukunftssicherheit weil Hersteller-Übergreifend

47 Folie 47 Investitionskostenersparnis Konventionelle Installation Investitionskosten LONWORKS Vorteile Funktionalität

48 Folie 48 Investitionskostenersparnis Investitionskosten Konventionelle Installation Wieso kann man trotz teurer Komponenten Investitionskosten sparen? Mehrfachnutzung im Netz! Sensoren (siehe Bewegungsmelder) Stromversorgung (siehe Netzteile zuhause) LONWORKS Bedieneinheiten (siehe Fernbedienungen zuhause) Vorteile Funktionalität

49 ... Betriebskostenersparnis Zentralfunktionen, Zeitsteuerung Einzelraumregelung Konstantlichtregelung Nutzungsabhängige Heizungs-- und Beleuchtungsregelung Energiemanagement Vorteile Visualisierung Wartung und Instandhaltung Folie 49 Flexible Anpassung bei Änderung der Raumnutzung

50 Folie Komfort IR-Fernbedienung Zentralfunktionen Zeitprofile Fernsteuern, Alarmierung über Telefon Vorteile Internet-Anbindung usw.

51 Folie 51 Bausteine einer CPS-Technologie Zusammenarbeit der Anwendungen Schicht 7- Standard Netz- (System-) Design Einheitliche Sprache Protokoll- Standard Einheitliche Hardware Chips Anwendung Protokoll Transceiver Node- Design

52 Folie 52 Bausteine der LONWORKS-Technologie Zusammenarbeit der Anwendungen LonMark LON- Builder Einheitliche Sprache LonTalk - Protokoll Einheitliche Hardware Neuron - Chips Transceiver Node- Builder

53 Folie 53 Echelon Technologiegeber Technologiegeber Echelon Firmensitz Palo Alto, Californien, USA Gründer Mike Markkula (Intel, Apple), 1986 Web-Site Vertretungen Entwicklung Historie ca. 200 Mitarbeiter weltweit: USA, China, Frankreich, Deutschland, Italien, Japan, Niederlande, Schweden, 250 Millionen US-$, 2000 Mannjahre, 67 angemeldete Patente 1986 Beginn der Entwicklungsarbeit 1990 Vorstellung des Neuron-Chips Mio. Neurons verkauft 2014 Internet of Things (IzoT ): IPv6, WiFi, 4-Core-ARM-Chips, Linux, C++, C, Python, 128 Bit Security,

54 Folie 54

55 Folie 55 Schicht-7- Kommunikation & Software

56 Folie 56 Bedeutung der Netzwerkvariablen (NV) Datenaustausch zu anderen Knoten Logische Schnittstelle des Knotens zum Netzwerk Herstellen der Gerätebeziehungen über sog. BINDEN von Ein- und Ausgangs-NV (am PC) Äußeres Erscheinungsbild eines LON Knotens am PC

57 Folie 57 Sensor Aktor nvoxxx 3.Ergebnisse senden über Netzwerkvariablen (NV) LON nvixxx 1.Meldungen empfangen über Netzwerkvariablen 2. Aufbereiten 2. Verarbeiten 1.Messen / überwachen 3.Aktion(en) ausführen

58 Folie 58 Kommunikation über Netzwerkvariablen (NV) Taster-Knoten (Sensor) Leuchten-Knoten (Aktor) nvoschalter nvilampe

59 Folie 59 Anwendungsprogramm Taster-Knoten Taster-Knoten (Sensor) nvoschalter Taste oben? ja Variable nvoschalter := 1 Taste unten? ja Variable nvoschalter := 0

60 Folie 60 Anwendungsprogramm Leuchten-Knoten Leuchten-Knoten (Aktor) nvilampe Variable nvilampe = 1? ja Leuchtenrelais ein nein Leuchtenrelais aus

61 Folie 61 Binding und Inbetriebnahme PC mit LON- Inbetriebnahme-Tool Nach der Konfiguration der Knoten über das Netzwerk mittels PC und Inbetriebnahme-Tool... Taster-Knoten (Sensor) Leuchten-Knoten (Aktor) nvoschalter Übertragung nvilampe... sendet der Taster-Knoten jede Änderung seiner Ausgangs-NV automatisch an die Eingangs-NV des Leuchten-Knotens

62 Folie 62 Binding: Herstellen der Kommunikationsbeziehungen zwischen den Netzwerkknoten Taster- Knoten 1 Leuchten- Knoten Ventilator- Knoten Taster-Knoten 2 (mit Status-LED)

63 Folie 63 Regeln für Netzwerkvariablen Ausgangsvariablen können nur auf Eingangsvariablen gebunden werden Nur Variablen desselben Typs können verbunden werden nvoschalter Typ: SNVT_switch nvoschalter Typ: SNVT_switch nvilampe Typ: SNVT_switch nvimaxhell Typ: SNVT_lux Zulässige Verbindung Unzulässige Verbindung! Mehrfach-Bindungen sind möglich 1-zu-N Verbindungen, Beispiel: Ein Taster-Knoten steuert zwei Leuchten-Knoten N-zu-1 Verbindungen, Beispiel: Zwei Taster-Knoten steuern einen Leuchtenaktor

64 Folie 64 Verbindungen und Angelpunkte Angelpunkt einer 1-zu-N-Verbindung Angelpunkt einer N-zu-1-Verbindung

65 Folie 65 Namensgebung von Netzwerkvariablen Vorsilbe Klartext Englisch Klartext Deutsch Speicherort nvi nvo nci nro network variable input network variable output network variable config input network variable rom Netzwerkvariable (Eingang) Netzwerkvariable (Ausgang) Netzwerkvariable für Konfigurationsdaten (Eingang) wie nvo Arbeitsspeicher des Neuron (RAM, flüchtig) EEPROM des Neuron (nichtflüchtig) Programm-Speicher (ROM)

66 Folie 66 Darstellung eines Knotens Knoten allgemein Knotenobjekt (node object) Funktionsobjekt 1 (object 1) Funktionsobjekt 2 (object 2) Funktionsobjekt n (object n) Systemfunktionen des Knotens (Gerät aktivieren, Fehler auslesen, Fehler zurücksetzen usw.) Ein Objekt pro Funktionseinheit Beispiele: achtfach Digitalausgang: => 8 Objekte Schaltaktor zweifach Jalousieausgang: => 2 Objekte Jalousieaktor vierfach Tasterwippe: => 4 Objekte Tastsensor

67 Allgemeine Darstellung eines Objekts Netzwerk- Eingangs- Variablen Objekt Name Hardware-Ausgänge (hardware outputs) Netzwerk- Ausgangs- Variablen nvi... SNVT_... nvi... SNVT_... nvo... SNVT_... nvo... SNVT_... Knoten node obj. nvi... SNVT_... nvo... SNVT_... object 1 object 2 Konfigurations- Eigenschaften (Einstellungen, Parameter) (Configuration Properties) Folie 67 object n Hardware-Eingänge (hardware inputs)

68 Folie 68 Standard-Netzwerk-Variablen-Typen (SNVT) dienen der Normung des Datenaustauschs über Netzwerkvariablen zwischen Knoten verschiedener Hersteller zusammengefasst in der LonMark-SNVT-Master-List derzeit über 150 verschiedene Typ-Definitionen Standardisierung nach LonMark Jede Typ-Definition umfasst Name des Typs Anwendungsbereich des Typs Gesamtlänge in Bytes Angaben, wie die Werte zu interpretieren sind (Wertebereich von bis, Schrittgröße / Auflösung) Größere Typdefinitionen sind möglich: sog. Strukturen verbinden mehrere Einzelwerte zu einem Datenblock (struct)

69 Folie 69 Standard-Netzwerkvariablen-Typen (SNVT) Beispiele Standardisierung nach LonMark Anwendungsbereich des Typs Basistyp(en) Gesamtlänge in Bytes Wertebereich von..bis Schrittgröße / Auflösung Beispiel Messwert entspr. Übertragung (Roh-Daten) Name des Typs SNVT_temp Temperatur allgemein unsigned long (integer) 2 Byte -274 C ,5 C 0,1 C 0 C 2740

70 SNVT - Beispiel Temperatur- Sensor Raumtemperatur- Regler nvisolltemp Typ: SNVT_temp nvomesswert Typ: SNVT_temp nviisttemp Typ: SNVT_temp M Folie 70 Gemessene Raumtemperatur: 20 C Übertragener Zahlenwert: 2940 (= C : 0,1 C) Empfangene Temperaturinformation: 20 C

71 Folie 71 Standard-Netzwerkvariablen-Typen (SNVT) Beispiele Standardisierung nach LonMark Anwendungsbereich des Typs Basistyp(en) Gesamtlänge in Bytes Wertebereich von..bis Schrittgröße / Auflösung Beispiel Messwert entspr. Übertragung (Roh-Daten) Name des Typs SNVT_lev_cont SNVT_temp SNVT_temp_p SNVT_lux Prozentwerte unsigned short (integer) Temperatur allgemein unsigned long (integer) Temperatur für Heizung, Lüftung und Klima signed long (integer) Helligkeit unsigned long (integer) 1 Byte 2 Byte 2 Byte 2 Byte 0 % % -274 C ,5 C -273,17 C ,66 C 0 lux lux 0,5 % 0,1 C 0,01 C 1 lux 10 % 100 % 0 C -10 C 100 C 500 lux

72 Darstellung eines Objekts nach LonMark Objekt Name und Nummer Hardware Ausgänge (hardware outputs) Knoten Netzwerk- Eingangs- Variablen nvi... SNVT _... nvi... SNVT _... Obligatorische NV s (mandatory nv) Optionale NV s (optional nv) nvo... SNVT _... nvo... SNVT _... Netzwerk- Ausgangs- Variablen Folie 72 node obj. object 1 object 2 object n Konfigurations- Eigenschaften (Einstellungen, Parameter) (Configuration Properties) Hersteller-interner Bereich (manufacturer defined section) Hardware Eingänge (hardware inputs)

73 Folie 73 LonMark-Objekt nvivalue Fb SNVT_xx x nvipreset Fb SNVT_pr eset Sensor mit Rückkopplung Closed Loop Sensor Object Type #2 nvovalue SNVT_xxx nvorawhw Data SNVT_count nvopreset SNVT_pres Location Label (Text Knotenet Ortsangabe) Max Range (Maximalbereich) Min Range (Minimalbereich) Gain (Verstärkung) Send on Delta MaxSendTime (Zeit für Heartbeat) MinSendTime (minimales Sendeintervall) Default Output Override Behaviour Override Value... Obligatorische NVs (mandatory nv s) Optionale NVs (optional nv s) Optionale Konfigurations- Eigenschaften (optional configuration properties)