Industrieautomation mit Ethernet-TCP/IP und Web-Technologie

Transkript

1 Frank J. Furrer Industrieautomation mit Ethernet-TCP/IP und Web-Technologie 3., neu bearbeitete und erweiterte Auflage Hüthig Verlag Heidelberg

2 1 Einführung 1.1 Industrieautomation. 1.2 Die drei Zeitalter der Industrieautomation.2.1 Vorzeit: Programmierbare Steuerungen Erstes Zeitalter: Proprietäre Kommunikation Zweites Zeitalter: Bus-Hierarchien Drittes Zeitalter: System weite Middleware Die Rolle von Ethernet-TCP/IP Sachzwänge aus der kommerziellen Informationstechnologie Elemente der industriellen Automation Abgrenzung des Begriffes Industrieautomation" Betrieb und Management der Anlage Wartung und Evolution der Anlage Prozess- und Fertigungsengineering Produkt-Engineering 14 Dezentrale Steuerung Grundidee der dezentralen Steuerung Kommunikationsanforderungen Der Begriff Echtzeit" Echtzeitanforderungen Echtzeitverhalten Echtzeitmodell Dezentrale Software Steuerungsarchitektur 22 Bussysteme für die Industrieautomation Anforderungen an einen Feldbus Feldbusse Auswahl der industriellen Kommunikationssysteme 29 Middleware für die Industrieautomation Internet und Industrieautomation 32 Netzwerke und Dienstqualität Netzwerkgrundlagen Der Begriff Netzwerk" Intranets, Extranets, Internet und VPNs OSI-Modell Tunnelprotokolle

3 VIII Repeater, Hubs, Bridges, Routerund Gateways Switches Dienstqualität (Quality of Service) Der Begriff QoS" QoS im OSI-Modell Serviceklassen (CoS) QoS-Implementation QoS-Netzwerke QoS-Architektur und Management QoS in Netzwerken für die Industrieautomation IPQoS IP Integrated Services Architecture IP Differentiated Services Framework IP QoS-Implementation IEEE 802.1p Weiterentwicklungen 55 4 Ethernet Ethernet-Entwicklungsgeschichte Klassisches Ethernet (10 MBit/s) Ethernet-Struktur und -Topologie Zugriffsverfahren CSMA/CD Bewältigung von Kollisionen Übergeordnete Kommunikationssoftware Ethernet Paket Ethernet-Adresse Ethernet Standards Fast Ethernet (100 Mbit/s) Fast Ethernet Topologie Full-Duplex Betrieb Autonegotiation Flusssteuerung (Flow Control) Trunking Gigabit-Ethernet (1000 Mbit/s) Gigabit-Ethernet Topologie MAC Erweiterungen Gbit/s Ethernet 75 5 IP, UDP und TCP TCP/IP-Protokollfamilie Vergleich mit OSI-Architektur Geschachtelte Protokolle Paket-Driver Internet-Protokoll IPv Internet-Funktionen IPv4 Internet-Paket (IPv4 Datagramm) 82

4 IX IPv4 Internet-Adressen Adress Resolution Protocol ARP Internet Control Message Protocol ICMP Internet-Protokoll IPv Neue Eigenschaften von IPv IPv6 Internet-Paket (IPv6 Datagramm) IPv6 Internet-Adressen IPv6 Einfluss auf übergeordnete Protokolle IPv6 QoS und Sicherheit Transmission Control Protocol TCP TCP-Eigenschaften TCP-Segment TCP-Sicherungsmechanismen Zugriff auf die TCP-Funktionen Übergeordnete Funktionen und Programminterfaces User Datagram Protocol UDP UDP Eigenschaften UDP-Segment UDP - TCP Vergleich 99 Socket-Interface Socket-Interface Betriebsphilosophie ClienWServer-Beziehungen Socket-Library Funktionen Socket Library Verbindungsaufbau Blockierung Programmierung der Socket-Library Socket-Library für IPv Remote Procedure Calls Der Begriff RPC" RPCs über Ethernet-TCP/IP Probleme mit RPCs RPC-Implementationen ISO Transprotprotokoll über TCP/IP 114 Ethernet mit Lastbeschränkung QoS Parameter für die Industrieautomation Ethernet Kollisionsbereiche (Collision Domains) Kollisionsbereiche Größe eines Kollisionsbereichs Kollisionshäufigkeit Kollisionsvermeidung Ethernet-Theorie: Mittelwerte Ethernet-Theorie: Worst-case 127

5 X 7.6 Ethernet-Simulation: Lastbeschränkung Simulationsmodell für das Ethernet Simulationsmodell für die Netzwerktopologie Verifikation der theoretischen Mittelwerte Predictable" Ethernet Deterministisches Anwendungsprotokoll Lastbeschränkung Die Bezeichnung Predictable Ethernet" Simulation mit Lastbeschränkung (10 MBit/s) Simulationsmodell für die einzelnen Stationen Poisson-Prozesse Meldungslängengenerator Wartezeitgenerator Resultierende Meldungsrate der Netzwerkstation Simulationsumgebung Simulationsparameter Simulationsresultate: Einfaches Quellenmodell Simulationsreihen Simulationsresultate für das einfache Quellenmodell Zusammenfassung der Simulationsresultate Schlussfolgerungen aus den Simulationsresultaten mit dem einfachen Quellenmodell Simulationsresultate: Erweitertes Quellenmodell Status-/Control-Meldungen Datenmeldungen Koexistenz von Status-/Control- und von Datenmeldungen Erweitertes Quellenmodell Netzwerktopologie und Stationstypen Simulationsumgebung Simulationsreihen Simulationsresultate Schlussfolgerungen aus den Simulationsresultaten Einfluss des TCP/IP-Transportprotokolles Positive Einflüsse von TCP/IP Negative Einflüsse von TCP/IP Lastbeschränkung Ethernet mit Switching Switching Switch-Architekturen Blockierung Switch-Steuerungssofrware Switch-Managementsoftware Zeitverhalten eines Switches Netzwerktopologie mit Switches Switching-Hierarchien Die Zukunft des Switchings 188

6 t XI 9 Ethernet-TCP/UDP APIs Einführung API/ALIs Anwendungsprotokolle TCP/IP Instrument Protocol Grundlagen TCP/IP Instrument Protocol IEEE-488 Funktionen über TCP/IP Interface for Distributed Automation (IDA) Grundlagen IDA Architektur Real-Time Publish-Subscribe Wire Protocol Safety Protocol IDA Web-Technologie IDA Komponentenmodell und Engineering ProfiNet Grundlagen ProfiNet Architektur ProfiNet Komponentenmodell und Engineering EtherNet Industrial Protocol Grundlagen EtherNet/IP Architektur Control and Information Protocol CIP Foundation Fieldbus Grundlagen Foundation Fieldbus Architektur ANSI/ISA Grundlagen Business to Manufacturing Markup Language Maritime Information Technology Standard (MiTS) MiTS Übersicht MiTS Softwarestruktur MiTS T-Profile MiTS A-Profile MiTS Companion Standards Industrial CORBA OPCDX Einführung: OPC und OPC DX OPC OPC DX APIs auf der Basis von XML XML (Extensible Markup Language) Message-Definition API-Standardisierung 227

7 XII 10 Dezentrale Softwarearchitekturen Dezentrale Software Dezentrale Software-Mechanismen Einführung Remote Procedure Calls Messages Globale Daten Globaler Clock Event-Triggered- und Time-Triggered-Architekturen Dezentrale Event-Triggered Architektur (ETA) Dezentrale Time-Triggered Architektur (TTA) Beispiele von dezentralen Softwarearchitekturen Dezentrale SPS im asynchronem Betrieb Dezentrale SPS im synchronen Betrieb Dezentrales Objektsystem Integration in unternehmensweite Netzwerke Sicherheit in industriellen Netzen Sicherheitsbegriff in der Industrieautomation Abgrenzung des Sicherheitsbegriffes Netzwerk-und Rechnersicherheit Messung der Sicherheit Sicherheitsbereiche Bedrohung Technische Bedrohung Wahrscheinlichkeit eines Angriffes Sicherheitsmechanismen Planung der Sicherheit Sicherheitsstrategie Sicherheitsperimeter Bedrohung Sicherheitsarchitektur und Sicherheitsmechanismen Überwachung IPSec Redundanz und Fehlertoleranz Verfügbarkeit und Fehlertoleranz Netzwerkredundanz (Ethernet-Redundanz) Fehleranalyse für das Automatisierungsnetzwerk Redundanz Wechsel auf das redundante Netzwerk Steuerungsredundanz Hardwareredundanz Softwareredundanz 270

8 XIII 13 Ethernet-TCP/IP Planung und Einsatz Planung Zeitverhalten Sicherheit Netzwerkarchitektur und Topologie Netzwerkarchitektur Netzwerktopologie Industrietaugliche Installation Industrielle Umgebung Galvanische Isolation Erdung Stromversorgung Zerstörungsschutz Übertragungsmedien Kabel und Stecker Implementierung Produkte Lastbeschränkung TCP/IP-Treibersoftware Intelligente Netzwerkadapter Betrieb Normen für die Installation Internet und Web-Technologie Internet und World Wide Web Internet Internet Grundlagen Internet-Technologieelemente Internet-Sicherheitsmechanismen World Wide Web Grundlage des World Wide Web World Wide Web Technologieelemente World Wide Web Sicherheitsmechanismen Web-Technologie in der Industrieautomation Vertikale Integration Horizontale Integration E-Manufacturing Industrieautomation als Systemintegration Einführung Ziel der Industrieautomation Architektur einer industriellen Automationslösung Methodik 319

9 XIV Literaturverzeichnis 321 Bücher und Zeitschriften (Bibliografie) 321 Internet-Adressen (Cybergrafie) 332 Abkürzungen 337 Sachwörterverzeichnis 341