Das Internet in der Maschine - Automation zwischen Cyber … · 2014-07-07 · Ringvorlesung 2014 Einführung in die Forschungsgebiete der Informatik Das Internet in der Maschine

Ringvorlesung 2014Einführung in die Forschungsgebiete der Informatik

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

Fakultät Informatik Institut für Angewandte Informatik Professur Prozesskommunikation

Dresden, 23.06.2014

Prof. Martin Wollschlaeger Angewandte Informatik, Prozesskommunikation

Produzierende Industrien

Sensor Dokumentation

Aktuator Funktionale Sicherheit

Technischer Prozess

Planungsdaten

Integration

Security

Fertigungstechnik

Betrieb Produkt

Verfahrenstechnik

Funktionsblock

Speicherprogrammierbare Steuerung

Manufacturing Execution System

EngineeringFeldgerät

Feldbus

Condition MonitoringApparate

Regler

ProzessleitsystemAnlage

Plant Asset Management

Hierarchien

WartungVerfügbarkeit

Enterprise Resource Planning

Effizienz

InbetriebnahmeOptimierungzyklische Kommunikation

Topologie

Applikation

Modellierung

Archivierung

Echtzeit

Parametrierung

Profile

Vorgehensmodelle

InformationsmodelleInstrumentierung

WerkzeugeEthernet

Funktionalität

Gewerke

SichtenInternet

intelligentes Feldgerät

Normen

Einführung in die Forschungsgebiete der Informatik Folie 2Dresden, 23.06.2014

Automatisierungspyramide

Dresden, 23.06.2014 Einführung in die Forschungsgebiete der Informatik Folie 3

Automation –eine Aufgabenstellung


Ventil

Kessel

Brenner

Regel-kreis

stellen

messen

verarbeiten

SpeicherprogrammierbareSteuerung (SPS)

?

Anzeige

visualisieren

Feldbus - Kommunikationsablauf


k

1iSresreqSZZ T)t(tTT ;Zykluszeit ;T

ii

Anfrage(Request)

Antwort(Response)

***

Buszyklus

t

Req1 Res1 Req1 Res1Reqn Resn

0x37AC

zi

0x3756

zi+1

***

Steuerung arbeitet als Master hat das Zugriffsrecht auf den FeldbusFeldgeräte arbeiten als Slaves antworten nur nach Anfrage

Aufteilung des Zugriffsrechts zwischen mehreren Mastern notwendig Medienzugriff (Media Access)TokenCSMATDMA

Dresden, 23.06.2014

SPS-Speicher

0x37560x37AC ***

Prozessdaten-abbild der Eingänge

Prozessdaten-abbild der Ausgänge

FUNCTION CONTROL : INTVAR_INPUT

T : %IW10;TOLD, SP : INT := 22;V : %QW5;

END_VARIF (TOLD<T) THEN

…ELSE

…END_IF…

END FUNCTION

SPS-Programm

0x37

AC

Verarbeitung in der SPS

Eingänge lesen

Verarbeitung

Ausgänge setzen

SPS-Zyklus:

0x45

0F

Einführung in die Forschungsgebiete der Informatik Folie 6

Prozessinformationssystem

betriebliches Management

Automatisierungs-system

Technischer Prozess(Verfahrens- und Fertigungstechnik,

administrative Prozesse,Informationssysteme)

betriebliches Management

Automatisierungs-system

Technischer Prozess(Verfahrens- und Fertigungstechnik)

Informations-austausch

Entwicklung von Hard- und Softwaretechnik,

Infrastruktur

Markteinfluss,Globalisierung,

Informationstechnik

Von der Insellösung zur Integration


Trends in der Informationstechnik


Entwicklung der ElektronikMiniaturisierungEmbedded SystemsSystem on Chip

Entwicklung der Informatik, insbesondere SoftwaretechnikModellgetriebene Konzepte

Objektorientierung mit Standardnotation UMLAspektorientierung

MetamodellierungExplizite Definition von Semantik

Entwicklung des InternetInternet-Technologien auf AnwendungsebeneKommunikationstechnologien

Service-Orientierung (SOA)Internet of Things, Internet of Services

Cloud Computing

Application (SaaS)

Platform (PaaS)

Infrastructure (IaaS)

Basiert auf Service OrientedArchitecture (SOA)

Probleme: •Gerätezugriff•Echtzeit•Security


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, http://www.hannovermesse.de/de/news-trends/integrated-industry-next-steps/

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


Sozial vernetzte Geräte?


Kernthema: Integration


Forschungsschwerpunkte


Industrielle KommunikationssystemeEthernet-basierte Systeme in der IndustrieFeldbussystemeManagementkonzepte heterogener industrieller

NetzwerkeInformationsmodelle in der Automation

Geräte- und Informationsmodelle im Life CycleDurchgängige BeschreibungsmethodenMiddleware, verteilte Applikationen

Industrial InternetIntegration von IT-Lösungen und

AutomatisierungssystemenWeb-Technologien in der AutomationIndustrial Security

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)


Lehrveranstaltungen


Visualization(DCS)Visuali-sierung

Leit-system

ProcessProzess

Proxy-FB

Feldgerät

Controller

Zyklische Kommunikation

Engineering

Azyklische Kommunikation

Manufacturing ExecutionSystems / InformationTechnologyManufacturing Execution System (MES) – Information Technology IT

Feldgerät

Peer-to-peer-Kommunikation

Feldbus

Ethernet

Funktion

Prozessabbild Comm-FB

Com-missioningtool

Variablen

ControllerFunktion

Funktion

Funktion

Funktion

Funktion

Funktion

Industrielle Kommunikationssysteme

Ethernet-basierte Systeme in der IndustrieN

etzw

erkm

anag

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t in

indu

strie

llen

Anw

endu

ngen

Eng

inee

ring

indu

strie

ller

Kom

mun

ikat

ions

syst

eme

Informationsmodelle in der Automation

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


Entwurf von Automatisierungsfunktionen


Problem: Komplexität

Funktionelle DekompositionZergliederung in TeilbereicheDefinition von SchnittstellenTiefe?

Notwendig: ModellierungskonzepteImplementierungskonzepte

RückwirkungsfreiheitRandbedingungenSkalierbarkeit!

IEC 61499 Distributed Systems Architecture


Event flow

Data flow

Device 2Device 2

Communication networkCommunication network

Device 3Device 3 Device 4Device 4Device 1Device 1

Application A

Appl. C Application B

Controlled process/machines

Application=

Function BlockNetwork

System=

CommunicationNetwork

+Devices

+Process/Machines

PLC

DCS

SCADA CMMS

ERP

…..

LC - DisplayHW ResourcesMechanical Connections

ConstructionGPS coordinatesPosition in systemMounting point

Location

MeasurementCalibrationLinearisation

FunctionCostsManufacturerService

Business Data

Mechanical FeaturesMaterialLimits

Parameters

Documentation Status

Geräteinformationen


Gerätemodell

PhysicalDevice

Hardware

1

0..*

1

0..*

Resource

Module

Functional_Element1..*

1

1

0..*

1..*

1

1

0..*

10..*10..*

Device«FieldDevice»

1

1..*

1

1..*

Variable«VariableType»

1

1..*

1

0..*

1

1..*

1

0..*

ParameterList

Object

FunctionBlock«FB_Type»

FBlockPhysicalBlock

«PB_Type»

TransducerBlock«TB_Type»

Function«FunctionType»

1

0..*

1

0..*


Gerätearchitektur(PROFIBUS/PROFINET IO)


PROFIBUS/PROFNET

Communication protocols layer 1, 2 and 7

Communication function blocks

Assemblies CommunicationobjectsAssemblies Communicationobjectscyclic comm . , acyclic

RdR

ecR

dRec

RdR

ec

RdR

ecR

dRec

GetD

ata

Service prim

itives

Device application

SensorActuator

SensorActuator

Communicationwith requiredASE type providedby theCommunication FBs

Application

Module

SubMo-dule

Module

SubMo-dule

Module

SubMo-dule

CommunicationobjectsCommunicationobjects. alarm/diagnosis

RdR

ecD

iagnosis

Alarm

Application function

Application function

IO Data Parameter DiagnosisIO DataIO Data DiagnosisDiagnosisParameterParameter

VariablesFunction Block orList of variables

Mapping

OptionalPI Comm.-FBs

IEC 61158

Generic Device


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


Horizontale Integration –industrielle Kommunikation

Indu

stria

l Et

hern

etIn

dust

rial

Ethe

rnetCIMCIM Fieldbus and InternetFieldbus and Internet

BitbusBitbus

1970 1980 1990 2000

MIL 1553MIL 1553

FIPFIP

ProfibusProfibus

MMSMMS

EN50170EN50170

IEC61158IEC61158

InterbusInterbus

EN50254EN50254

ISA SP50ISA SP50

ControlNetControlNet

Information Technology

CANCAN

MAPMAPISO/OSIISO/OSI

FieldbusSystems

PROWAYPROWAY

WWWWWWInternetInternet

ARPANETARPANETEthernetEthernet

FFFF

EN50325EN50325IEC61784IEC61784

ModbusModbusDeviceNetDeviceNet

SNMPSNMPSQLSQL LDAPLDAPOPCOPC

Ethernet/IPEthernet/IPPowerlinkPowerlink

PROFINETPROFINET

EtherCATEtherCATModbus/TCPModbus/TCP

MRPMRP MRP IIMRP IIMESMES

SCMSCMERPERPPlanning

Tools


Kommunikationsmodell

7: Application Layer

6: Presentation Layer

1: Physical Layer

2: Data Link Layer

3: Network Layer

Lokales Netz Feldbus

4: Transport Layer

5: Session Layer

Übertragungsmedium ('Schicht 0')

Topologie, physikal. Abbildsignal, Bitkodierung

Buszugriff, Paketsicherung, Fehlerbehandlung

Adressierung und Netzübergänge, Transportweg

Fragmentierung, Defragmentierung, Flußkontrolle

Dialogkontrolle, Wiederanlauf bei Störungen

Konvertierung, Komprimierung, Verschlüsselung

Dienste, Objekte, Parameter, Kodierungsregeln 7: Application Layer

6: Presentation Layer

1: Physical Layer

2: Data Link Layer

3: Network Layer

4: Transport Layer

5: Session Layer

Feldbusse: meist 3-Schichten-Modell: Schichten 1, 2, 7


Netzwerkmanagement -Web Based Enterprise Management

Dresden, 23.06.2014

• 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


Beispiel:Modellierung von Topologieinformationen


Web Based Enterprise Management

Dresden, 23.06.2014

Operator

Operator Station / WBEM Client

WBEM-System

Informations-modell(CIM)

Repository(CIM)

Service orientierte Anfrage/Antwort

WBEM-SystemProvider

Provider Provider

WBEM-System

Provider Provider Provider

Repository(CIM)

Repository(CIM)


Vertikale Integration –MES–Aktivitäten nach IEC 62264


Interoperabilität der System-Landschaftentlang der Wertschöpfungsketten

Quelle: Wegener, VDI-Tagung Industrie 4.0, Düsseldorf, 04. Februar 2014


Einfluss der Technologie auf Funktionen

• Neue Bedienfunktionen durch neue Endgeräte (Smartphones, Tablets)

• Mobilität in der Projektierungim Feldin Betrieb und Wartung)

• Neue Software-Verteilung (Apps)• Leichterer Zugang zu Daten

1,3T (=1,3*1012) Tags / Sensoren weltweit

• EU: „Data are key for success“• Big Data, data fusion

• MES-Anwendungen in der Cloud• Security

• Neue Geschäftsmodelle• Collaborative Manufacturing

Quelle: Website Hannover-Messe, http://www.hannovermesse.de/de/news-trends/integrated-industry-next-steps/

MES ?Virtuelle Unternehmen ?


Quo vadis MES?

Basis: Wegener, VDI-Tagung Industrie 4.0, Düsseldorf, 04. Februar 2014

standardisierte MES-Funktionen


Integration zur Visualisierung


Ventil

Kessel

Brenner

Webbrowser

?

visualisieren

Regel-kreis

Dresden, 23.06.2014

Business-Server

z.B. Feldbus

Web-Server

Feld-gerät

unterste Schicht(Automatisierungs-system)

mittlere Schicht(Web-Portal)

oberste Schicht(Clientsysteme)

ClientWeb-

Browser

ClientWeb-

Browser

Internet Intranet

Architektur Web-basierter Systeme

Feld-gerät


Dresden, 23.06.2014

PROFIBUS

Internet

Realisierung der Visualisierung

Web-Server

Intranet

Business-Server

DynamischeDaten(Mess- undStellwerte)

Web-ServicesSOAP über HTTP

Statische Webinhalte

HTTP


Informationsbeschreibung


Server

Echtzeit-daten Daten-

bankHandbücher

TexteBilder Multi-

media

Flash

(D)COM CORBA

Clients

SOAP

(de facto) standards

Daten über Daten (Metadaten)Daten in unterschiedlichen

Formaten werden zu nutzbarenInformationen

Planung, Entwurf, Inbetriebnahme,

Betrieb, Instandhaltung

XML / Semantik

Integration über den Lebenszyklus

Verfahrens-entwicklung

Anlagen-planung

PLT-Engineering

Elektro-planungApplikations-entwicklung

Geräte-beschaffung

Inbetrieb-nahme Betrieb

Planung und Projektierung Beschaffung,Errichtung

Inbetrieb-nahme

Betrieb,Service

Anfor-derungs-

profil

Endkunde,Planer,Systemintegrator

Lieferant,Hersteller Geräte-

beschrei-bung

Hersteller-dokumente

Betriebs-para-meter

Doku-menta-

tion

***


Integration - Heterogenität auflösen


Verschiedene Sprachen haben Unterschiede und GemeinsamkeitenZwischen zwei Sprachen lassen sich Mappings definieren

(XML)-Sprache A (XML)-Sprache B

Begriff 1

Abbildung

Begriff 2

Begriff 4

Begriff 3

Mapping

Ontologien –Konzepte und Regeln

• Ontologie zur Beschreibung der Zusammenhänge verschiedener Begriffe

• Semantic Web realisiert Verknüpfung von Inhalten verschiedener Webseiten zu einheitlichem Thema

• Ontologierepräsentations-sprache OWL

• Klassen• Properties

(ObjectProperty & DatatypeProperty)

• Individuals als Instanz


Ontologie für Kommunikation


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)

Projekte (Auswahl)


• Verteiltes, Ethernet-basiertes Automatisierungssystem auf Basis IEC 61499 (VEAS) – Teilprojekt Modellierung, Spezifikation und Management von Software Devices

• Information Modeling in Automation (iModelA)

• VDMA Einheitsblatt Condition Monitoring

• Informationssysteme

MANUFACTURER_ID=42PROFILE_ID=F600ORDER_ID=6ES7 141-1BF00-0XB0

PROFIBUSWeb Server

PROFIBUSDevice

PROFIBUS

ManufacturerWeb Server

ID Company Cust. 42Siemens 0911-8...

Webwww.siem...42

Service http://.../

Projekte (Auswahl)


• Production Logistics and Sustainability Cockpit (PLANTCockpit)

http://www.plantcockpit.eu

OPC als universelle Schnittstelle?


OPC ist de-facto-StandardWeiterentwicklung zu OPC UA – Unified ArchitectureÜberwinden der Technologie-Barriere (COM/DCOM, Microsoft)Vereinheitlichung der Spezifikation

OPC UA Base Services All Necessary Services

Vendor Information Model

DA A&E HDA CMDs OPC Information Model

Information Model Specifications IEC, ISA, MIMOSA …

Quelle: OPC Foundation

Projekte (Auswahl)

• Information Modeling in Automation (iModelA)

• Übergreifende Modellierung Industrie- und Gebäudeautomation mit OPC UA• Hauptanwendungsbereich: Energiemanagement in der Automation


Entwicklungsetappen der digitalen Fabrik

(Bär 2004)Dresden, 23.06.2014 Einführung in die Forschungsgebiete der Informatik Folie 47

Konvergenz der Welten?


Umfang der Informationen heterogen Use Cases, Szenarien

Unterschiedliche Nutzung im WorkflowFehlende bzw. inkompatible InformationsmodelleKeine explizite Beschreibung der Semantik Web 3.0

Neue Kommunikationstechnologien (z.B. Funk) neue Eigenschaften und Use Cases

Unterschiedliche Applikationsmodelle lose KopplungIntegration in Werkzeuge heterogen VersionshandlingKomplexität der Informationen Handhabbarkeit

Problem: rasantes Wachstum der IT-Technologien und -Systeme stetiger Adaptions- und Entwicklungsaufwand

Dresden, 23.06.2014

IndustrialBackbone

IndustrialSegment

Office domain

Office sub domains

Remote Industrial Domains / subsidiary / customer sites

Heterogeneous / internet technology (Public Networks)Heterogeneous / internet

technology (Public Networks)

Single device integration(e.g. telecontrol)

Individual industrial sub domains

Domain connected via radio link

Industrial Domain

Intrinsic safety domainReal-time domain

Real-time domain

IndustrialWLAN domain

Mobile devices

IndustrialWLAN domain

Mobile devices

Browser

Vielfalt der InformationsquellenKommunikation über heterogene, kommerzielle und industrielle NetzeMultimediale ortsunabhängige personalisierte Präsentation

Die Vision –Virtuelle Automatisierungsnetze (VAN)


Die Zukunft bringt:Internet als omnipräsente Vernetzung


Industrie 4.0 - morgen


CPS

Vision „Industrie 4.0“

• Das zu fertigende Produkt besitzt alle erforderlichen Informationenüber seine Produktionsanforderungen

• Selbstorganisation vernetzter Produktionseinrichtungen unter Berücksichtigung der gesamten Wertschöpfungskette

• Produktionsablauf wird auf Basis der aktuellen Situation flexibelentschieden

• Der Mensch bleibt unerlässlich als kreativer Planer, Überwacher und Entscheider

Quelle: Wegener, VDI-Tagung Industrie 4.0, Düsseldorf, 04. Februar 2014


Dresden, 23.06.2014

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, 23.06.2014

Kontakt

Prof. Dr.-Ing. habil.Martin Wollschlaeger

ProzesskommunikationInstitut für Angewandte InformatikFakultät InformatikTU Dresden

Tel. +49-351-463-39670Fax: [email protected]://www.iai.inf.tu-dresden.de/pk


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