Virtualisierung in der Automatisierungstechnik am Beispiel ... · àHarte Echtzeit für PROFINET und PROFIBUS SIMATIC Kommunikationsarchitektur • Lokale Kommunikation von Software

Industrie Workshop PC-based Automation Nov. 2015 siemens.de/pc-based

Virtualisierung in der Automatisierungstechnik amBeispiel des SIMATIC S7-1500 Software Controller

PC-based Workshop

Industrie Workshop PC-based Automation Nov. 2015Seite 2

Vorteile von Virtualisierung in der Informationstechnik““

Optimale Ausnutzung von Ressourcen Leistungsfähige PCs führen mehrereunabhängige Ablaufumgebungen aus

Migration "alter" Software auf aktuelle Hardware Wichtige alte Software kann auch auf aktuellerHardware ausgeführt werden

Isolation / Trennung von Systemen Geschützte, vertrauenswürdige Umgebung undunsichere Programme auf einem PC(z.B. „Bring your own device“)

Einfache Installation / Verteilung Kopieren anstelle von InstallierenUnabhängig vom Ort – leichtes Verschiebenmöglich

Virtualisierung à Ressourcen eines PC aufteilen oder zusammenfassenà Bereitstellen einer Abstraktionsschicht für Zugriff auf Hardware

(Isolation von eigentlicher Hardware)


Anforderung in der Steuerungstechnik

Hohe Performanz und Deterministik Sicherstellen von Zyklen entsprechendtechnologischen AnforderungenBedienen von schnellen, äquidistantenFeldbussen

Hohe Verfügbarkeit des Gesamtsystems Wirtschaftlichkeit und Sicherheit hängt vonVerfügbarkeit des Systems ab

Integration verschiedener Aufgaben Steuern und Regeln, Visualisieren usw. aufeinem PC-System mit geringer Wechselwirkung


PC-Plattform echtzeitfähig?

Echtzeitfähigkeit auf PC-Plattform

Echtzeit-Betriebssystem Echtzeiterweiterungfür Standardbetriebssstem

• z.B. VxWorks, QNX

• Spezifisches Know-how• Teilweise spezielle Entwicklungsumgebungen• Integration von Anwendungen (Datenbank, Bild-

verarbeitung, HMI) erfordert teilweise Speziallösungen

• z.B. IntervalZero RTX, tenAsys INtime RTOS,RT-Linux

• Standardanwendungen können weiter verwendet werden(Datenbank, Bildverarbeitung, HMI)

• Kompromisse und Abhängigkeiten vom Gast bleiben(z.B. geteilte Ressourcen, etc.)


SIMATIC WinAC RTX (F) 2010

§ Basiert auf IntervalZero RTX Echtzeiterweiterung für Windows

§ Deterministischer Peripherieanschluss über PROFIBUS und PROFINET(einschl. taktsynchronem Betrieb)§ Installation von zusätzlicher Windows-Software möglich

(z.B. HMI, Datenbank, etc.)§ Windows XP und Windows 7, 32 Bit§ Offenheit und Integrationsfähigkeit dank ODK

Für harte EchtzeitaufgabenSIMATIC S7-300/400 kompatibel

Auch als fehlersichere VarianteWinAC RTX F 2010verfügbar


SIMATIC WinAC RTX (F) 2010

Basis ist Echtzeiterweiterung für Windows

Einschränkungen / Nachteile§ Startup abhängig vom Windows (relativ langsam)§ Kein Neustart von Windows ohne SPS Stopp§ Abhängigkeit vom Windows-File-System

(z.B. umfangreiche remanente Daten, Konfiguration, etc.)§ Nur Windows Betriebssystem als Host

(WinAC RTX 2010 nur 32 Bit)§ Für Echtzeiterweiterungen zusätzliches IntervalZero RTX SDK notwendig


PC-Plattform echtzeitfähig?

Echtzeitfähigkeit auf PC-Plattform

Echtzeit-Betriebssystem Echtzeiterweiterungfür Standardbetriebssstem

• z.B. VxWorks oder QNX

• Spezifisches Know-how• Teilweise spezielle Entwicklungsumgebungen• Integration von Anwendungen (Datenbank, Bild-

verarbeitung, HMI) erfordert teilweise Speziallösungen

• z.B. IntervalZero RTX, tenAsys INtime RTOSoder RT-Linux

• Standardanwendungen können weiter verwendet werden(Datenbank, Bildverarbeitung, HMI)

• Kompromisse und Abhängigkeiten vom Gast bleiben(z.B. geteilte Ressourcen, etc.)

è Dritter Ansatz – Virtualisierung ?


Virtualisierungskonzepte

Virtualisierung

Typ 1Hosted Hypervisor

Typ 2Bare Metal Hypervisor

VirtualisierteRessourcen

Z.B. VmWare Workstation, KVM Z.B. VmWare ESXi Server, RTS Real-Time-Hypervisor,Citrix XenServer

EmulierteRessourcen

Bare MetalRessourcen


EmulierteRessourcen


Typ-2-Hypervisor (Native oder Bare Metal)

Bare Metal Hypervisor

Bare MetalRessourcen

• Aufteilen der Ressourcen• Exklusiver Zugriff durch einen Gast• Intel VTx, AMD-V• Multi-Core CPUs

Echtzeitfähigkeit möglich!


• Spezielle API in Hypervisor fürangepassten Gast

• Emuliertes Gerät für Standardgast(keine Anpassung nötig)

Hohe Performance beiminimale Wechselwirkung

EmulierteRessourcen

• PC Ressourcen werden emuliert,z.B. Netzwerkkarte, serielleSchnittstelle oder Massenspeicher

• Keine Anpassungam Gast notwendig

Keine Echtzeitfähigkeit


Der SIMATIC S7-1500 Software Controller

§ Siemens Hypervisorà Bare Metal Hypervisor§ S7-1500 Steuerung auf einem PC§ Nutzung Standard PC Ressourcen für SPS

(CPU, Massenspeicher, Feldbusschnittstellen)§ Verbesserte Verfügbarkeit und Stabilität mit einem

Maximum an Unabhängigkeit zu Windows§ Sicherheit und Schutz für

Steuerungsanwendungen mit Software Controllernauf höchstem Niveau

Open Controller

Windows

WindowsAppl.

WindowsAppl.

WindowsAppl. CPU 1505S

Siemens Hypervisor


SIMATIC S7-1500 Software Controller

Basis ist Siemens Bare Metal HypervisorMöglichkeiten / Vorteile§ Boot unabhängig vom Windowsà sehr schnell§ Neustart von Windows bei ununterbrochen laufender SPS§ Weiterer Gast relativ unabhängig (z.B. WES7 64 Bit)§ Keine Abhängigkeit Windows-File-System (remanente Daten, Konfiguration, etc.)§ Funktion auch im Windows Blue Screen (z.B. durch SW-Fehler in Windows)§ Sehr gute Abschottung durch Hypervisor à Security / Know-How-Schutz§ C/C++ Erweiterungen unter Windows und Echtzeit§ Download von Programm und PC-Konfiguration (Keine „Doppelte Konfiguration“ mehr)§ Firmware-Code weitgehend identisch mit S7-1500 CPU§ Konzept ist offen für zukünftige Erweiterungen


SIMATIC S7-1500 Software Controller – Trennung der PC Ressourcen

Beispiel: SIMATIC IPC mit Core i7-3517UE (2C/4T, 1.7(2.8)GHz)

WES7, 32 Bit

2 Kerne mit Hyperthreadingà 4 logische Kerne

WinAC RTX 2010

Echtzeiterweiterung

CPU 1507S

Siemens Bare Metal Hypervisor

1 physischer Kern durch CPU 1507Sà 2 verbleibende log. Kerne

Hyperthreading ON1 logischer Kern für RTXà 3 verbleibende log. Kerne

Hyperthreading OFF1 Kern für RTXà 1 verbleibender Kern


PC

SIMATIC S7-1500 Software Controller – Unabhängig vom Windows

Partitionierung des PC durch Siemens-Hypervisor• Exklusiver CPU Kernà Deterministik und Performance für die SPS

• Exklusiver Speicherà Bestmögliche Sicherheit und Know-how Schutz

• Exklusive Feldbus Schnittstellenà Harte Echtzeit für PROFINET und PROFIBUS

SIMATIC Kommunikationsarchitektur• Lokale Kommunikation von Software Controller mit HMI

und anderen Windows Anwendungen

• SPS-Kommunikation über Windows- und PROFINETverfügbar (Engineering, HMI, TCP/UDP, Web-Server)

Windows

WindowsAppl.

WindowsAppl.


Siemens-Hypervisor

SIMATICCommunication

graphics

Ethernet

memoryPROFI-

BUS

PROFI-NET

memory

CPUCore

CPUCore


S7-1500 Software Controller – Konzept für Massenspeicher

Windows-unabhängiger Zugriff auf HDD/CFast/SSD• Windows arbeitet auf emuliertem Massenspeicher

• Software Controller hat speziellen „para virtualisieren“Zugriff auf Massenspeicherà Unabhängig vom Zustand des anderen Gast-OS !!

PC

PC Mass Storage

Windows

WindowsAppl.

WindowsAppl.


Siemens-HypervisorVirtualisiert Para-virtualisiert

Private Data load memory Retentive Data

Configuration

Program

Initial DataInitial Data

Archives

Recipes

User files

Process Data

Diag Buffer

If file storageconfigured:


Systemhochlauf

Starte Hypervisor

Erzeuge Gast 0 Erzeuge Gast 1

Starte Windows

Starte Windows

StarteSoftware

Controller

Boot-Menü§ „1 Windows & CPU 1505S (default):§ Startet nach 5 sec den Hypervisor§ Dieser startet parallel Windows und den Software

Controller§ „0 Windows“§ Startet Windows ohne Hypervisor für Service-Zwecke

Boot PC

Optional (für Service)


Live DemoReboot Windows

with SIMATIC S7-1500 Software Controller


SIMATIC S7-1500 Software Controller

https://youtu.be/UY2j5a5HAMs


SIMATIC S7-1500 Software ControllerHighlights CPU 150xS

Verbesserte Code Bearbeitung

64 Bit Ausnutzung

Schneller Hochlauf @ PC boot

Verbesserter Kopier- und Know-How-Schutz

Verbesserte Kommunikationssicherheit

Ausführung von Real-time Algorithmen

Aufruf von Windows DLLs

Code Kompatibilität zu S7-1500

Motion & Trace

Windows 7 32 and 64 Bit

Microbox IPC4x7D

Box/Rack/Panel IPC6x7D/8x7D

Innovatives Echtzeitkonzept basierend aufVirtualisierungskonzepten

100 % Entkopplung von Windows

Reboot Windows – bei laufender Steuerung

Unterstützte Plattformen

Robustheit

Performance

Kompatibilität und Skalierbarkeit

Security

Open Development Kit

Display Applikation für einfache Bedienung

Vollständige Projektierung mit TIA-Portal– keine lokalen Einstellungen

Usability


SIMATIC S7-1500 Software ControllerPortfolio

IE/PN S7-1500 Software Controller

CPU Typ CPU 1507S

Schnittstellen

Programm- /Datenspeicher

5 MB20 MB

Bit Performance 1 ns(Microbox, Core i7)

IO Devices 128

Standard Motion 60 Achsen

HW Voraussetzungen

§ IPC4x7D, IPC6x7D, IPC8x7D§ Windows 7 32/64 Bit§ WES 7 32/64 Bit§ 4 GB RAM§ 550 Mbyte freier Festplattenspeicher

1 2

Unter Verwendung vonPC-Schnittstellen(1 Schnittstelle mit PN IO)

ET 200SP Open Controller CM DP

CPU Typ CPU 1515SP PC DP Master

Schnittstellen

Programm- /Datenspeicher

1 MB5 MB

Bit Performance 10 ns

IO Devices 128 125 DP Slaves

Standard Motion 30 Achsen

HW OptionenWES 7 32 Bit

2 GB RAM8 GB CFast

WES 7 64 Bit4 GB RAM

16 GB CFast

PROFIBUSPROFINET / IE

1

1

Windows Controller

DVI I

3 x USB

IE/PN

DasBildkann…


Windows-Schnitstelle Exklusive Schnittstelle

(Windows Kommunikation) PROFINET IOPROFIBUS DP

Webserver (HTTP) Webserver (HTTP / HTTPS)

ES / HMI ZugriffS7-Kommunikation (PBK)

mit S7-1500 CPUs

ES / HMI ZugriffS7-Kommunikation (PBK)

mit S7-1500, 300, 400

OUC (TCP / UDP)Modbus TCPTMail

OUC (TCP / UDP / ISOonTCP)Modbus TCPTMail

SIMATIC S7-1500 Software ControllerKommunikationsfunktionen

Funktionalität nur über exklusive Schnittstellender CPU:§ PROFIBUS DP§ PROFINET IO§ S7-Kommunikation

Funktionalität über alle CPU und WindowsSchnittstellen:§ ES / HMI Kommunikation§ Open User Communication (OUC)§ Webserver Zugriff§ S7-Routing

Funktionalität PC-Intern:§ HMI Kommunikation§ Open User Communication (OUC)§ Webserver Zugriff (HTTP)

Windows

WindowsAppl.

S7-1500Software Controller

Ethernet PROFI-NET

PROFI-BUS

SIMATICCommunication

http://www.google.de/url?url=http://www.shutterstock.com/pic-113010922/stock-vector-conceptual-vector-illustration-of-usb-usb-symbol-in-round-button-proposed-colors-vector-file.html&rct=j&frm=1&q=&esrc=s&sa=U&ei=w3jSU-aFH6eE4gTc4YCYCg&ved=0CB4Q9QEwBA&usg=AFQjCNGsWRUvZOJ_8cOf-60LFGDpnx43QA


S7-1500 Software ControllerÜbersicht: Speichern remanenter Daten

Speicherung auf der Festplatte§ Speicherung der kompletten Daten

(Merker, Timer/Counter, DB) möglich§ USV erforderlich

Speicherung auf NVRAM mit SIMATIC IPC§ ET200SP PC OC 410 KB, Microbox IPC427D 167 KB, Box 627D/827D 67 KB§ Datenspeicherung auch ohne USV Unterstützung§ Datenspeicherung bei BlueScreen möglich§ Konfiguration in STEP7

Rezepte und Archive§ Speichern von Prozessdaten und Logging Informationen§ Lesen von Rezepturdaten§ CSV File Format§ Speicherpfad: Ladespeicher (CPU Volume)

CPU Volume


SIMATIC S7-1500 Generation – Neue Funktionen

Motion ControlFunktionalität

Integrierte PID Regelung

Integrierter Trace Integrierte Systemdiagnose

Webserver mit anwender-definierten Seiten

Verbesserte Securityund Know-How-Schutz


Live DemoSIMATIC S7-1500 Software Controller

im TIA Portal


Zusammenfassung

• Bare Metal Hypervisor als Grundlage für Virtualisierungfür SIMATIC S7-1500 Software Controller

• Zentrale PC-Ressourcen mit direktem, exklusivem Zugriff(Speicher, CPU, Feldbus-Schnittstellen)

• SIMATIC S7-150xS kombiniert Zuverlässigkeit und Performancedank Bare Metal Hypervisor mit Standard-Betriebssystem

• Integration von C/C++ Funktionen sowohl in Echtzeit als auchWindows möglich mit Open Development KitKein spezielles SDK für Echtzeiterweiterungen mehr nötig

• Konzept offen für zukünftige Erweiterungen

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Virtualisierung in der Automatisierungstechnik am Beispiel ... · àHarte Echtzeit für PROFINET und PROFIBUS SIMATIC Kommunikationsarchitektur • Lokale Kommunikation von Software