CLOUD BASIERTE IEC STEUERUNGS- DIENSTE AUF BASIS VON WEB- TECHNOLOGIEN

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1 CLOUD BASIERTE IEC STEUERUNGS- DIENSTE AUF BASIS VON WEB- TECHNOLOGIEN

2 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 Märkte Automatisierungstechnik Automotive Energieversorgung Telekommunikation Zahlen 2014 Mitarbeiter 70 Standort München Budget 7,4 Mio. Folie 2

3 IKT Herausforderungen in verschiedenen Branchen Telekommunikation Steigender Bandbreiten-Bedarf; Energieeffizienz; Aufbau hybrider Netze Zuverlässige, ressourceneffiziente, flexible Kommunikation IK T Energieversorgung Echtzeitkommunikation in Smartgrids; Integration von E-Fahrzeugen in Smart Grids Automotive Zuverlässige Car-to-X- Kommunikation; Adaptivität von Bordnetzen; intelligente Infrastruktur für E-Mobility Domänenübergreifender Informationsaustausch und Vernetzung Automatisierungstechnik Robuste Kommunikation für Industrie 4.0; Aufbau von hochflexiblen verteilten Systemen Folie 3

4 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 Cloud für die Industrie 4.0 Automotive Zuverlässige Car-to-X- Kommunikation; Adaptivität von Bordnetzen; intelligente Infrastruktur für E-Mobility Domänenübergreifender Informationsaustausch und Vernetzung Automatisierungstechnik Robuste Kommunikation für Industrie 4.0; Aufbau von hochflexiblen verteilten Systemen Folie 4

5 Inhalt des Vortrages Industrie 4.0 und Industrial Cloud Speicherprogrammierbare Steuerungen nach IEC IEC basierte Steuerungen in der Cloud Architekturvorschlag Forschungsfragen Vorteile für den Anwender Ausblick Folie 5

6 Industrie 4.0 Folie 6

7 Industrie 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

8 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

9 Industrie 4.0 Produktionsszenario - Anforderungen Zuverlässigkeit Interoperabilität Echtzeitfähig-keit Flexibilität Folie 9

10 Industrial Cloud Cloud Private Cloud Public Cloud Trend Folie 10

11 Industrial Cloud - Vorteile Quelle: SPS Automation Newsletter: Cloud in der Automation entscheidend für 'Industrie 4.0. Ausgabe 25, Folie 11

12 Industrial Cloud Automation Services Control in the Cloud BigData analytics for Realtime Data Folie 12

13 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

14 Speicherprogrammierbare Steuerungen nach IEC 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) Heute: SPS als Automisierungskomponente, Beispiel: Siemens SIMATIC S7 Folie 14

15 Speicherprogrammierbare Steuerungen nach IEC PS: Power Supply BE: Binäreingang AE: Analogeingang FB: Feldbus RS: serielle Schnittstelle BA: Binärausgang AA: Analogausgang ETH: Ethernet Folie 15

16 Speicherprogrammierbare Steuerungen nach IEC Folie 16

17 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): IEC 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

18 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

19 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

20 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

21 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: LOAD = Laden + Ausführen einer neuen Routerkonfiguration IN2: 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

22 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

23 Sicherung der Zuverlässigkeit 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

24 Maßnahmen zur Datensicherheit 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 Absicherung der Cloud Folie 24

25 Maßnahmen zur Maschinensicherheit 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

26 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

27 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

28 Vielen Dank für Ihre Aufmerksamkeit! Dr. Mike Heidrich Geschäftsfeldleiter Industrial Communication Fraunhofer-Institut für Eingebettete Systeme und Kommunikationstechnik ESK Hansastr.32 I München Telefon mike.heidrich@esk.fraunhofer.de I Folie 28