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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)


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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


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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.)


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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


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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 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 ?


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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 …


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Virtualisierungskonzepte

Virtualisierung

Typ 2

Hosted Hypervisor

Typ 1


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


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Typ-1-Hypervisor (Native oder Bare Metal)


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


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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


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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


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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


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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


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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)


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Live Demo Reboot Windows

with SIMATIC S7-1500 Software Controller


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https://youtu.be/UY2j5a5HAMs




video_simatic_sw_controller_de.mp4


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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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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

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


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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


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

virtualisierung in der automatisierungstechnik am … · •z.b. vxworks, qnx •spezifisches...

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