Das Internet in der Maschine - Automation zwischen Cyber Physical System, Industrie 4.0 und Cloud Computing

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1 Fakultät Informatik Institut für Angewandte Informatik Professur Prozesskommunikation Ringvorlesung 2014 Einführung in die Forschungsgebiete der Informatik Das Internet in der Maschine - Automation zwischen Cyber Physical System, Industrie 4.0 und Cloud Computing Prof. Martin Wollschlaeger Angewandte Informatik, Prozesskommunikation Dresden,

2 Produzierende Industrien Feldgerät Integration intelligentes Feldgerät Applikation Vorgehensmodelle Speicherprogrammierbare Steuerung Hierarchien Engineering Technischer Prozess Dokumentation Sensor Apparate Fertigungstechnik Profile Verfahrenstechnik Condition Monitoring Planungsdaten Ethernet Werkzeuge Regler Internet Funktionale Sicherheit Aktuator Anlage Sichten Feldbus Manufacturing Execution System Parametrierung Prozessleitsystem Produkt Security Betrieb Effizienz Plant Asset Management Modellierung zyklische Kommunikation Funktionsblock Echtzeit Gewerke Enterprise Resource Planning Wartung Verfügbarkeit Optimierung Topologie Inbetriebnahme Informationsmodelle Instrumentierung Normen Archivierung Funktionalität Dresden, Einführung in die Forschungsgebiete der Informatik Folie 2

3 Automatisierungspyramide Dresden, Einführung in die Forschungsgebiete der Informatik Folie 3

4 Automation eine Aufgabenstellung Kessel Speicherprogrammierbare Steuerung (SPS) verarbeiten messen Regelkreis stellen visualisieren Brenner Ventil? Anzeige Dresden, Einführung in die Forschungsgebiete der Informatik Folie 4

5 Feldbus - Kommunikationsablauf Anfrage (Request) Antwort (Response) *** Buszyklus Steuerung arbeitet als Master hat das Zugriffsrecht auf den Feldbus Feldgeräte arbeiten als Slaves antworten nur nach Anfrage Aufteilung des Zugriffsrechts zwischen mehreren Mastern notwendig Medienzugriff (Media Access) Token CSMA TDMA T ; Zykluszeit; T Z Z z Req 1 Res 1 Req n Res n Req 1 Res 1 i 0x37AC T S *** k i 1 (t req i t res ) T Dresden, Einführung in die Forschungsgebiete der Informatik Folie 5 i S z i+1 0x3756 t

6 Verarbeitung in der SPS SPS-Zyklus: Eingänge lesen Verarbeitung Ausgänge setzen FUNCTION CONTROL : INT VAR_INPUT T : %IW10; TOLD, SP : INT := 22; V : %QW5; END_VAR IF (TOLD<T) THEN ELSE END_IF END FUNCTION SPS-Programm 0x37AC SPS-Speicher 0x450F Prozessdatenabbild der Eingänge Prozessdatenabbild der Ausgänge Dresden, x37AC *** 0x3756 Einführung in die Forschungsgebiete der Informatik Folie 6

7 Von der Insellösung zur Integration Prozessinformationssystem betriebliches Management Automatisierungssystem Informationsaustausch Automatisierungssystem Entwicklung von Hard- und Softwaretechnik, Infrastruktur Markteinfluss, Globalisierung, Informationstechnik betriebliches Management Technischer Prozess (Verfahrens- und Fertigungstechnik) Technischer Prozess (Verfahrens- und Fertigungstechnik, administrative Prozesse, Informationssysteme) Dresden, Einführung in die Forschungsgebiete der Informatik Folie 7

8 Trends in der Informationstechnik Entwicklung der Elektronik Miniaturisierung Embedded Systems System on Chip Entwicklung der Informatik, insbesondere Softwaretechnik Modellgetriebene Konzepte Objektorientierung mit Standardnotation UML Aspektorientierung Metamodellierung Explizite Definition von Semantik Entwicklung des Internet Internet-Technologien auf Anwendungsebene Kommunikationstechnologien Service-Orientierung (SOA) Internet of Things, Internet of Services Dresden, Einführung in die Forschungsgebiete der Informatik Folie 8

9 Cloud Computing Basiert auf Service Oriented Architecture (SOA) Application (SaaS) Platform (PaaS) Infrastructure (IaaS) Probleme: Gerätezugriff Echtzeit Security Dresden, Einführung in die Forschungsgebiete der Informatik Folie 9

10 Technologie im Wandel Architektur von Produktionsnetzwerken, verteilte Automation, Integration Ethernet, Wireless-Technologien, OPC UA für MES Neue Formen der Bedienung, mobile Geräte Neue Formen der Kollaboration Virtuelle Plattformen, Cloud Computing, Internet of Things, Internet of Services Cyber Physical Systems, Industrie 4.0 Quelle: Website Hannover-Messe, Dresden, Einführung in die Forschungsgebiete der Informatik Folie 10

11 Gesellschaftliche Veränderungen Internet ist integraler Bestandteil unseres Lebens Leben in digitalen Welten Informationszugriff von überall Digital Natives Folgen: Stetige Erreichbarkeit ( always on ) Verschwimmende Grenzen zwischen Arbeit und Freizeit Flexible Arbeitszeitmodelle Flexible Arbeitsorte Quelle: Siemens AG Dresden, Einführung in die Forschungsgebiete der Informatik Folie 11

12 Sozial vernetzte Geräte? Dresden, Einführung in die Forschungsgebiete der Informatik Folie 12

13 Kernthema: Integration Dresden, Einführung in die Forschungsgebiete der Informatik Folie 13

14 Forschungsschwerpunkte Industrielle Kommunikationssysteme Ethernet-basierte Systeme in der Industrie Feldbussysteme Managementkonzepte heterogener industrieller Netzwerke Informationsmodelle in der Automation Geräte- und Informationsmodelle im Life Cycle Durchgängige Beschreibungsmethoden Middleware, verteilte Applikationen Industrial Internet Integration von IT-Lösungen und Automatisierungssystemen Web-Technologien in der Automation Industrial Security Dresden, Einführung in die Forschungsgebiete der Informatik Folie 14

15 Vorlesungen Vorlesungen: Informatikanwendung in der Automation (WS, BAS1) Industrielle Kommunikationssysteme IKS (SS) Ethernet-basierte Systeme in der Industrie EiA (SS) Netzwerkmanagement in industriellen Anwendungen (WS) Internet-Anwendungen in industriellen Kommunikationssystemen (WS) Engineering industrieller Kommunikationssysteme (WS) Informationsmodelle in der Automation (SS) Dresden, Einführung in die Forschungsgebiete der Informatik Folie 15

16 Lehrveranstaltungen Funktion Manufacturing Execution Systems /(MES) Information Information Technology Technology IT Informationsmodelle in der Automation Ethernet Feldbus Funktion Feldgerät Leitsystem Peer-to-peer- Kommunikation Funktion Controller Netzwerkmanagement in industriellen Anwendungen Funktion Prozessabbild Zyklische Kommunikation Feldgerät Controller Proxy-FB Comm-FB Funktion Azyklische Kommunikation Variablen Engineering industrieller Kommunikationssysteme Visualisierung Visualization(DCS) Funktion Ethernet-basierte Systeme in der Industrie Engineering Funktion Industrielle Kommunikationssysteme Commissioning tool Prozess Process Dresden, Einführung in die Forschungsgebiete der Informatik Folie 16

17 Praktika und Abschlussarbeiten Praktika: Praktikum Industrielle Kommunikationssysteme (SS, mit IKS VL) Praktikum Ethernet-Systeme in der Industrie (SS, mit EiA VL) Komplexpraktikum Prozesskommunikation (jederzeit, eine Vorlesung (auch begleitend) vorausgesetzt) Komplexpraktikum Cyber Physical Systems (jederzeit, eine Vorlesung (auch begleitend) vorausgesetzt) Abschlussarbeiten: genauere Informationen auf der Webseite Dresden, Einführung in die Forschungsgebiete der Informatik Folie 17

18 Problem: Komplexität Entwurf von Automatisierungsfunktionen Funktionelle Dekomposition Zergliederung in Teilbereiche Definition von Schnittstellen Tiefe? Notwendig: Modellierungskonzepte Implementierungskonzepte Rückwirkungsfreiheit Randbedingungen Skalierbarkeit! Dresden, Einführung in die Forschungsgebiete der Informatik Folie 18

19 IEC Distributed Systems Architecture Event flow Application = Function Block Network Data flow Communication network Device 1 Appl. C Device 2 Application A Device 3 Device 4 Application B Controlled process/machines System = Communication Network + Devices + Process/Machines Dresden, Einführung in die Forschungsgebiete der Informatik Folie 19

20 Geräteinformationen PLC Construction LC - Display HW Resources Mechanical Connections Business Data Costs Manufacturer Service Parameters Documentation Mechanical Features Material Limits Status Location GPS coordinates Position in system Mounting point Function Measurement Calibration Linearisation ERP DCS SCADA CMMS.. Dresden, Einführung in die Forschungsgebiete der Informatik Folie 20

21 Gerätemodell 1 «FieldDevice» Device PhysicalDevice 1 0..* Hardware Module 0..* Resource «FB_Type» FunctionBlock 1..* * Functional_Element FBlock 1 «PB_Type» PhysicalBlock «TB_Type» TransducerBlock 0..* 1 1 Object ParameterList 0..* «FunctionType» Function «VariableType» Variable 1..* 0..* 1 Dresden, Einführung in die Forschungsgebiete der Informatik Folie 21

22 Gerätearchitektur (PROFIBUS/PROFINET IO) Sensor Sensor Actuator Actuator Device application Application Application function Application function Variables Function Block or List of variables IO IO IO Data Data Data Parameter Parameter Parameter Diagnosis Diagnosis Diagnosis Mapping Sub Module Module Sub Module Module Sub Module Module Assemblies Assemblies Communicationobjects cyclic comm. acyclic Communicationobjects, Communicationobjects alarm/diagnosis Communicationobjects. Optional PI Comm.-FBs IEC GetData RdRec RdRec Communication function blocks Service primitives Communication protocols layer 1, 2 and 7 RdRec RdRec RdRec Diagnosis RdRec Alarm Communicationwith required ASE type providedby the Communication FBs PROFIBUS/PROFNET Dresden, Einführung in die Forschungsgebiete der Informatik Folie 22

23 Generic Device Dresden, Einführung in die Forschungsgebiete der Informatik Folie 4

24 Testumgebung Virtualisierung von Gerätefunktion Nachbildung von bis zu 100 Geräten auf 1 PC Site Acceptance Test und Site Integration Test Test von Protokoll und Laufzeitsystem Topologietest Dresden, Einführung in die Forschungsgebiete der Informatik Folie 9

25 Horizontale Integration industrielle Kommunikation Information Technology Fieldbus Systems ARPANET MIL 1553 Ethernet ISO/OSI SQL Modbus MAP CIM Internet Bitbus MMS PROWAY FIP SNMP Fieldbus and Internet Profibus CAN Interbus WWW LDAP ISA SP50 OPC FF ControlNet DeviceNet EN50254 EN50170 IEC61158 EN50325 Industrial Ethernet Powerlink Ethernet/IP EtherCAT Modbus/TCP PROFINET IEC61784 Planning Tools MRP MRP II MES ERP SCM Dresden, Einführung in die Forschungsgebiete der Informatik Folie 25

26 Kommunikationsmodell Lokales Netz 7: Application Layer 6: Presentation Layer 5: Session Layer 4: Transport Layer 3: Network Layer 2: Data Link Layer 1: Physical Layer Dienste, Objekte, Parameter, Kodierungsregeln Konvertierung, Komprimierung, Verschlüsselung Dialogkontrolle, Wiederanlauf bei Störungen Fragmentierung, Defragmentierung, Flußkontrolle Adressierung und Netzübergänge, Transportweg Buszugriff, Paketsicherung, Fehlerbehandlung Topologie, physikal. Abbildsignal, Bitkodierung Feldbus 7: Application Layer 6: Presentation Layer 5: Session Layer 4: Transport Layer 3: Network Layer 2: Data Link Layer 1: Physical Layer Übertragungsmedium ('Schicht 0') Feldbusse: meist 3-Schichten-Modell: Schichten 1, 2, 7 Dresden, Einführung in die Forschungsgebiete der Informatik Folie 26

27 Netzwerkmanagement - Web Based Enterprise Management Gruppierung von Technologien Common Information Model (CIM), CIM-XML, xmlcim, CQL Konsortialentwicklung (1996) ab 1998 DMTF breite Unterstützung (nach 2001) Integration von vorhandenen Strukturen (SNMP) Dienstorientierter Ansatz Dresden, Einführung in die Forschungsgebiete der Informatik Folie 27

28 Beispiel: Modellierung von Topologieinformationen Dresden, Einführung in die Forschungsgebiete der Informatik Folie 28

29 Web Based Enterprise Management Operator Station / WBEM Client Informationsmodell (CIM) Operator Service orientierte Anfrage/Antwort WBEM-System Repository (CIM) WBEM-System Provider Repository (CIM) WBEM-System Repository (CIM) Provider Provider Provider Provider Provider Dresden, Einführung in die Forschungsgebiete der Informatik Folie 29

30 Vertikale Integration MES Aktivitäten nach IEC Dresden, Einführung in die Forschungsgebiete der Informatik Folie 30

31 Interoperabilität der System-Landschaft entlang der Wertschöpfungsketten Quelle: Wegener, VDI-Tagung Industrie 4.0, Düsseldorf, 04. Februar 2014 Dresden, Einführung in die Forschungsgebiete der Informatik Folie 31

32 Einfluss der Technologie auf Funktionen Neue Bedienfunktionen durch neue Endgeräte (Smartphones, Tablets) Mobilität in der Projektierung im Feld in Betrieb und Wartung) Neue Software-Verteilung (Apps) Leichterer Zugang zu Daten 1,3T (=1,3*10 12 ) Tags / Sensoren weltweit EU: Data are key for success Big Data, data fusion Quelle: Website Hannover-Messe, MES-Anwendungen in der Cloud Security Neue Geschäftsmodelle Collaborative Manufacturing MES? Virtuelle Unternehmen? Dresden, Einführung in die Forschungsgebiete der Informatik Folie 32

33 Quo vadis MES? standardisierte MES-Funktionen Basis: Wegener, VDI-Tagung Industrie 4.0, Düsseldorf, 04. Februar 2014 Dresden, Einführung in die Forschungsgebiete der Informatik Folie 33

34 Integration zur Visualisierung Kessel Regelkreis? visualisieren Webbrowser Brenner Ventil Dresden, Einführung in die Forschungsgebiete der Informatik Folie 34

35 Architektur Web-basierter Systeme Client unterste Schicht (Automatisierungssystem) Web- Browser Client Web- Browser oberste Schicht (Clientsysteme) Internet Web-Server Intranet mittlere Schicht (Web-Portal) Business-Server Feldgerät z.b. Feldbus Feldgerät Dresden, Einführung in die Forschungsgebiete der Informatik Folie 35

36 Realisierung der Visualisierung Dynamische Daten (Mess- und Stellwerte) Internet HTTP Intranet Web-Services SOAP über HTTP Web-Server Business-Server Statische Webinhalte PROFIBUS Dresden, Einführung in die Forschungsgebiete der Informatik Folie 36

37 Informationsbeschreibung Planung, Entwurf, Inbetriebnahme, Betrieb, Instandhaltung Clients Flash (de facto) standards (D)COM CORBA SOAP Daten in unterschiedlichen Server XML Daten Formaten über / werden Semantik Daten zu (Metadaten) nutzbaren Informationen Handbücher Texte Bilder Echtzeitdaten Datenbank Multimedia Dresden, Einführung in die Forschungsgebiete der Informatik Folie 37

38 Integration über den Lebenszyklus Planung und Projektierung Beschaffung, Errichtung Inbetriebnahme Betrieb, Service Verfahrensentwicklung Anlagenplanung Gerätebeschaffung Inbetriebnahme Betrieb PLT- Engineering Elektroplanung Applikationsentwicklung *** Endkunde, Planer, Systemintegrator Lieferant, Hersteller Anforderungsprofil Gerätebeschreibung Herstellerdokumente Betriebsparameter Dokumentation Dresden, Einführung in die Forschungsgebiete der Informatik Folie 38

39 Integration - Heterogenität auflösen Verschiedene Sprachen haben Unterschiede und Gemeinsamkeiten Zwischen zwei Sprachen lassen sich Mappings definieren (XML)-Sprache A Mapping (XML)-Sprache B Begriff 1 Begriff 2 Begriff 3 Abbildung Begriff 4 Dresden, Einführung in die Forschungsgebiete der Informatik Folie 39

40 Ontologien Konzepte und Regeln Ontologie zur Beschreibung der Zusammenhänge verschiedener Begriffe Semantic Web realisiert Verknüpfung von Inhalten verschiedener Webseiten zu einheitlichem Thema Ontologierepräsentationssprache OWL Klassen Properties (ObjectProperty & DatatypeProperty) Individuals als Instanz Dresden, Einführung in die Forschungsgebiete der Informatik Folie 40

41 Ontologie für Kommunikation Dresden, Einführung in die Forschungsgebiete der Informatik Folie 41

42 Projekte (Auswahl) Entwicklung einer Geräteplattform zur flexiblen Integration unterschiedlicher Kommunikationssysteme in kommende Realtime- Ethernet-Systeme unter Berücksichtigung von Security (IntegraNet) Netzwerkzentriertes Asset-Management System für feldbusbasierte Automatisierungsanlagen (NetAsset) Funktionsbasiertes Asset-Management (fam) Funk im Lebenszyklus industrieller Automation (FiLiA) Dresden, Einführung in die Forschungsgebiete der Informatik Folie 42

43 Projekte (Auswahl) Verteiltes, Ethernet-basiertes Automatisierungssystem auf Basis IEC (VEAS) Teilprojekt Modellierung, Spezifikation und Management von Software Devices Information Modeling in Automation (imodela) VDMA Einheitsblatt Condition Monitoring Informationssysteme Manufacturer Web Server PROFIBUS Web Server ID Company Web Cust. Service 42Siemens MANUFACTURER_ID=42 PROFILE_ID=F600 ORDER_ID=6ES BF00-0XB0 PROFIBUS PROFIBUS Device Dresden, Einführung in die Forschungsgebiete der Informatik Folie 43

44 Projekte (Auswahl) Production Logistics and Sustainability Cockpit (PLANTCockpit) Dresden, Einführung in die Forschungsgebiete der Informatik Folie 44

45 OPC als universelle Schnittstelle? OPC ist de-facto-standard Weiterentwicklung zu OPC UA Unified Architecture Überwinden der Technologie-Barriere (COM/DCOM, Microsoft) Vereinheitlichung der Spezifikation Vendor Information Model Information Model Specifications DA A&E HDA CMDs IEC, ISA, MIMOSA OPC Information Model OPC UA Base Services All Necessary Services Quelle: OPC Foundation Dresden, Einführung in die Forschungsgebiete der Informatik Folie 45

46 Projekte (Auswahl) Information Modeling in Automation (imodela) Übergreifende Modellierung Industrie- und Gebäudeautomation mit OPC UA Hauptanwendungsbereich: Energiemanagement in der Automation Dresden, Einführung in die Forschungsgebiete der Informatik Folie 46

47 Entwicklungsetappen der digitalen Fabrik (Bär 2004) Dresden, Einführung in die Forschungsgebiete der Informatik Folie 47

48 Konvergenz der Welten? Umfang der Informationen heterogen Use Cases, Szenarien Unterschiedliche Nutzung im Workflow Fehlende bzw. inkompatible Informationsmodelle Keine explizite Beschreibung der Semantik Web 3.0 Neue Kommunikationstechnologien (z.b. Funk) neue Eigenschaften und Use Cases Unterschiedliche Applikationsmodelle lose Kopplung Integration in Werkzeuge heterogen Versionshandling Komplexität der Informationen Handhabbarkeit Problem: rasantes Wachstum der IT-Technologien und -Systeme stetiger Adaptions- und Entwicklungsaufwand Dresden, Einführung in die Forschungsgebiete der Informatik Folie 48

49 Die Vision Virtuelle Automatisierungsnetze (VAN) Vielfalt der Informationsquellen Kommunikation über heterogene, kommerzielle und industrielle Netze Multimediale ortsunabhängige personalisierte Präsentation Remote Industrial Domains / subsidiary / customer sites Real-time domain Mobile devices Office sub domains Office domain Domain connected via radio link IndustrialWLAN domain technology Heterogeneous Heterogeneous (Public / internet Networks) / internet technology (Public Networks) Single device integration (e.g. telecontrol) Browser Industrial Domain Industrial Backbone IndustrialSegment Mobile devices Intrinsic safety domain Individual industrial sub domains Real-time domain Industrial WLAN domain Dresden, Einführung in die Forschungsgebiete der Informatik Folie 49

50 Die Zukunft bringt: Internet als omnipräsente Vernetzung Dresden, Einführung in die Forschungsgebiete der Informatik Folie 50

51 Industrie morgen CPS Dresden, Einführung in die Forschungsgebiete der Informatik Folie 51

52 Vision Industrie 4.0 Das zu fertigende Produkt besitzt alle erforderlichen Informationen über seine Produktionsanforderungen Selbstorganisation vernetzter Produktionseinrichtungen unter Berücksichtigung der gesamten Wertschöpfungskette Produktionsablauf wird auf Basis der aktuellen Situation flexibel entschieden Der Mensch bleibt unerlässlich als kreativer Planer, Überwacher und Entscheider Quelle: Wegener, VDI-Tagung Industrie 4.0, Düsseldorf, 04. Februar 2014 Dresden, Einführung in die Forschungsgebiete der Informatik Folie 52

53 Fazit (moderne) Automatisierungssysteme sind Cyber Physical Systems Automatisierung ist eine interdisziplinäre Aufgabe: Physik Mathematik Elektrotechnik Mechanik Informatik ist Bindeglied und Klebstoff Informatik-Technologien werden zunehmend in Automatisierung überführt Angewandte Informatik Dresden, Einführung in die Forschungsgebiete der Informatik Folie 53

54 Kontakt Prof. Dr.-Ing. habil. Martin Wollschlaeger Prozesskommunikation Institut für Angewandte Informatik Fakultät Informatik TU Dresden Tel Fax: Dresden, Einführung in die Forschungsgebiete der Informatik Folie 54

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