Virtualisierung in der Automatisierungstechnik am … · •z.B. VxWorks, QNX •Spezifisches...
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Industrie Workshop PC-based Automation Nov. 2015 siemens.de/pc-based
Virtualisierung in der Automatisierungstechnik am
Beispiel des SIMATIC S7-1500 Software Controller
PC-based Workshop
Industrie Workshop PC-based Automation Nov. 2015
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Vorteile von Virtualisierung in der Informationstechnik
Optimale Ausnutzung von Ressourcen Leistungsfähige PCs führen mehrere
unabhängige Ablaufumgebungen aus
Migration "alter" Software auf aktuelle Hardware Wichtige alte Software kann auch auf aktueller
Hardware ausgeführt werden
Isolation / Trennung von Systemen Geschützte, vertrauenswürdige Umgebung und
unsichere Programme auf einem PC
(z.B. „Bring your own device“)
Einfache Installation / Verteilung Kopieren anstelle von Installieren
Unabhängig vom Ort – leichtes Verschieben
möglich
Virtualisierung Ressourcen eines PC aufteilen oder zusammenfassen
Bereitstellen einer Abstraktionsschicht für Zugriff auf Hardware
(Isolation von eigentlicher Hardware)
Industrie Workshop PC-based Automation Nov. 2015
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Anforderung in der Steuerungstechnik
Hohe Performanz und Deterministik Sicherstellen von Zyklen entsprechend
technologischen Anforderungen
Bedienen von schnellen, äquidistanten
Feldbussen
Hohe Verfügbarkeit des Gesamtsystems Wirtschaftlichkeit und Sicherheit hängt von
Verfügbarkeit des Systems ab
Integration verschiedener Aufgaben Steuern und Regeln, Visualisieren usw. auf
einem PC-System mit geringer Wechselwirkung
Industrie Workshop PC-based Automation Nov. 2015
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PC-Plattform echtzeitfähig?
Echtzeitfähigkeit auf PC-Plattform
Echtzeit-Betriebssystem Echtzeiterweiterung
für Standardbetriebssystem
• 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.)
Industrie Workshop PC-based Automation Nov. 2015
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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 Echtzeitaufgaben
SIMATIC S7-300/400 kompatibel
Auch als fehlersichere Variante WinAC RTX F 2010 verfügbar
Industrie Workshop PC-based Automation Nov. 2015
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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
Industrie Workshop PC-based Automation Nov. 2015
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PC-Plattform echtzeitfähig?
Echtzeitfähigkeit auf PC-Plattform
Echtzeit-Betriebssystem Echtzeiterweiterung
für 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 RTOS
oder RT-Linux
• Standardanwendungen können weiter verwendet werden
(Datenbank, Bildverarbeitung, HMI)
• Kompromisse und Abhängigkeiten vom Gast bleiben
(z.B. geteilte Ressourcen, etc.)
Dritter Ansatz – Virtualisierung ?
Industrie Workshop PC-based Automation Nov. 2015
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Virtualisierungskonzepte
Typ 1
Bare Metal Hypervisor
Hypervisor
Hardware
Virtualisierung
Typ 2
Hosted Hypervisor
Guest 1
Host OS
Guest 2
Hardware
Hypervisor
…
Guest 1 Guest 2 …
Industrie Workshop PC-based Automation Nov. 2015
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Virtualisierungskonzepte
Virtualisierung
Typ 2
Hosted Hypervisor
Typ 1
Bare Metal Hypervisor
Virtualisierte
Ressourcen
Z.B. VmWare Workstation, KVM Z.B. VmWare ESXi Server, RTS Real-Time-Hypervisor,
Citrix XenServer
Emulierte
Ressourcen
Bare Metal
Ressourcen
Virtualisierte
Ressourcen
Emulierte
Ressourcen
Industrie Workshop PC-based Automation Nov. 2015
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Typ-1-Hypervisor (Native oder Bare Metal)
Bare Metal Hypervisor
Bare Metal
Ressourcen
• Aufteilen der Ressourcen
• Exklusiver Zugriff durch einen Gast
• Intel VTx, AMD-V
• Multi-Core CPUs
Echtzeitfähigkeit möglich!
Virtualisierte
Ressourcen
• Spezielle API in Hypervisor für
angepassten Gast
• Emuliertes Gerät für Standardgast
(keine Anpassung nötig)
Hohe Performance bei
minimale Wechselwirkung
Emulierte
Ressourcen
• PC Ressourcen werden emuliert,
z.B. Netzwerkkarte, serielle
Schnittstelle oder Massenspeicher
• Keine Anpassung
am Gast notwendig
Keine Echtzeitfähigkeit
Industrie Workshop PC-based Automation Nov. 2015
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Der SIMATIC S7-1500 Software Controller
Siemens Hypervisor 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 Controllern
auf höchstem Niveau
Open Controller
Windows
Windows
Appl.
Windows
Appl.
Windows
Appl. CPU 1505S
Siemens Hypervisor
Industrie Workshop PC-based Automation Nov. 2015
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SIMATIC S7-1500 Software Controller
Basis ist Siemens Bare Metal Hypervisor
Möglichkeiten / Vorteile
Boot unabhängig vom Windows 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 Security / Know-How-Schutz
C/C++ Erweiterungen unter Windows und Echtzeit
Firmware-Code weitgehend identisch mit S7-1500 CPU
Konzept ist offen für zukünftige Erweiterungen
Industrie Workshop PC-based Automation Nov. 2015
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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 Hyperthreading
4 logische Kerne
WinAC RTX 2010
Echtzeiterweiterung
CPU 1507S
Siemens Bare Metal Hypervisor
1 physischer Kern durch CPU 1507S
2 verbleibende log. Kerne
Hyperthreading ON
1 logischer Kern für RTX
3 verbleibende log. Kerne
Hyperthreading OFF
1 Kern für RTX
1 verbleibender Kern
Industrie Workshop PC-based Automation Nov. 2015
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PC
SIMATIC S7-1500 Software Controller – Unabhängig vom Windows
Partitionierung des PC durch Siemens-Hypervisor
• Exklusiver CPU Kern
Deterministik und Performance für die SPS
• Exklusiver Speicher
Bestmögliche Sicherheit und Know-how Schutz
• Exklusive Feldbus Schnittstellen
Harte Echtzeit für PROFINET und PROFIBUS
SIMATIC Kommunikationsarchitektur
• Lokale Kommunikation von Software Controller mit HMI
und anderen Windows Anwendungen
• SPS-Kommunikation über Windows- und PROFINET
verfügbar (Engineering, HMI, TCP/UDP, Web-Server)
Windows
Windows
Appl.
Windows
Appl.
Windows
Appl. CPU 1507S
Siemens-Hypervisor
SIMATIC
Communication
graphics
Ethernet
memory PROFI-
BUS
PROFI-
NET
memory
CPU Core
CPU Core
Industrie Workshop PC-based Automation Nov. 2015
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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 Massenspeicher
Unabhängig vom Zustand des anderen Gast-OS !!
PC
PC Mass Storage
Windows
Windows
Appl.
Windows
Appl.
Windows
Appl. CPU 1507S
Siemens-Hypervisor
Virtualisiert Para-virtualisiert
Private Data load memory Retentive Data
Configuration
Program
Initial Data Initial Data
Archives
Recipes
User files
Process Data
Diag Buffer
If file storage
configured:
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Systemhochlauf
Starte Hypervisor
Erzeuge Gast 0 Erzeuge Gast 1
Starte Windows
Starte Windows
Starte
Software
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)
Industrie Workshop PC-based Automation Nov. 2015
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Live Demo Reboot Windows
with SIMATIC S7-1500 Software Controller
Industrie Workshop PC-based Automation Nov. 2015
Seite 19
SIMATIC S7-1500 Software Controller
https://youtu.be/UY2j5a5HAMs
Industrie Workshop PC-based Automation Nov. 2015
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SIMATIC S7-1500 Software Controller
Highlights 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 auf
Virtualisierungskonzepten
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
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SIMATIC S7-1500 Software Controller
Portfolio
IE/PN
S7-1500 Software Controller
CPU Typ CPU 1507S
Schnittstellen
Programm- /
Datenspeicher 5 MB
20 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 von
PC-Schnittstellen
(1 Schnittstelle mit PN IO)
ET 200SP Open Controller CM DP
CPU Typ CPU 1515SP PC (1505S) DP Master
Schnittstellen
Programm- /
Datenspeicher 1 MB
5 MB
Bit Performance 10 ns
IO Devices 128 125 DP Slaves
Standard Motion 30 Achsen
HW Optionen WES 7 32 Bit
2 GB RAM
8 GB CFast
WES 7 64 Bit
4 GB RAM
16 GB CFast
PROFIBUS
PROFINET / IE
1
1
Windows Controller
DVI I
3 x USB
IE/PN
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Windows-Schnitstelle Exklusive Schnittstelle
(Windows Kommunikation) PROFINET IO
PROFIBUS DP
Webserver (HTTP) Webserver (HTTP / HTTPS)
ES / HMI Zugriff
S7-Kommunikation (PBK)
mit S7-1500 CPUs
ES / HMI Zugriff
S7-Kommunikation (PBK)
mit S7-1500, 300, 400
OUC (TCP / UDP)
Modbus TCP
TMail
OUC (TCP / UDP / ISOonTCP)
Modbus TCP
TMail
SIMATIC S7-1500 Software Controller
Kommunikationsfunktionen
Funktionalität nur über exklusive Schnittstellen
der CPU: PROFIBUS DP
PROFINET IO
S7-Kommunikation
Funktionalität über alle CPU und Windows
Schnittstellen: ES / HMI Kommunikation
Open User Communication (OUC)
Webserver Zugriff
S7-Routing
Funktionalität PC-Intern: HMI Kommunikation
Open User Communication (OUC)
Webserver Zugriff (HTTP)
Windows
Windows
Appl.
S7-1500
Software Controller
Ethernet PROFI-
NET
PROFI-
BUS
SIMATIC
Communication
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S7-1500 Software Controller
Übersicht: 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
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SIMATIC S7-1500 Generation – Neue Funktionen
Motion Control
Funktionalität
Integrierte PID Regelung
Integrierter Trace
Integrierte Systemdiagnose
Webserver mit anwender-
definierten Seiten
Verbesserte Security
und Know-How-Schutz
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Live Demo SIMATIC S7-1500 Software Controller
im TIA Portal
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Zusammenfassung
• Bare Metal Hypervisor als Grundlage für Virtualisierung
für SIMATIC S7-1500 Software Controller
• Zentrale PC-Ressourcen mit direktem, exklusivem Zugriff
(Speicher, CPU, Feldbus-Schnittstellen)
• SIMATIC S7-150xS kombiniert Zuverlässigkeit und Performance
dank Bare Metal Hypervisor mit Standard-Betriebssystem
• Integration von C/C++ Funktionen sowohl in Echtzeit als auch
Windows möglich mit Open Development Kit
Kein spezielles SDK für Echtzeiterweiterungen mehr nötig
• Konzept offen für zukünftige Erweiterungen