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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
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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)
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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
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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.)
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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 EchtzeitaufgabenSIMATIC S7-300/400 kompatibel
Auch als fehlersichere VarianteWinAC RTX F 2010verfügbar
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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
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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 ?
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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
VirtualisierteRessourcen
EmulierteRessourcen
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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!
VirtualisierteRessourcen
• 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
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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
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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
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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 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
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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.
WindowsAppl. CPU 1507S
Siemens-Hypervisor
SIMATICCommunication
graphics
Ethernet
memoryPROFI-
BUS
PROFI-NET
memory
CPUCore
CPUCore
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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 Massenspeicherà Unabhängig vom Zustand des anderen Gast-OS !!
PC
PC Mass Storage
Windows
WindowsAppl.
WindowsAppl.
WindowsAppl. CPU 1507S
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:
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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)
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Live DemoReboot Windows
with SIMATIC S7-1500 Software Controller
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SIMATIC S7-1500 Software Controller
https://youtu.be/UY2j5a5HAMs
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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
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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…
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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
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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
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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
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Live DemoSIMATIC S7-1500 Software Controller
im TIA Portal
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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