PC-based Workshop Virtualisierung in der Automatisierungstechnik am Beispiel des SIMATIC S7-1500 Software Controller Industrie Workshop PC-based Automation Nov. 2015 siemens.de/pc-based Vorteile von Virtualisierung in der Informationstechnik““ Virtualisierung à Ressourcen eines PC aufteilen oder zusammenfassen à Bereitstellen einer Abstraktionsschicht für Zugriff auf Hardware (Isolation von eigentlicher Hardware) 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 Industrie Workshop PC-based Automation Nov. 2015 Seite 2 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 Seite 3 PC-Plattform echtzeitfähig? Echtzeitfähigkeit auf PC-Plattform Echtzeit-Betriebssystem Echtzeiterweiterung für Standardbetriebssstem • z.B. VxWorks, QNX • z.B. IntervalZero RTX, tenAsys INtime RTOS, RT-Linux • Spezifisches Know-how • Teilweise spezielle Entwicklungsumgebungen • Standardanwendungen können weiter verwendet werden (Datenbank, Bildverarbeitung, HMI) • Integration von Anwendungen (Datenbank, Bildverarbeitung, HMI) erfordert teilweise Speziallösungen • Kompromisse und Abhängigkeiten vom Gast bleiben (z.B. geteilte Ressourcen, etc.) Industrie Workshop PC-based Automation Nov. 2015 Seite 4 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 Industrie Workshop PC-based Automation Nov. 2015 Seite 5 Auch als fehlersichere Variante WinAC RTX F 2010 verfügbar 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 Seite 6 PC-Plattform echtzeitfähig? Echtzeitfähigkeit auf PC-Plattform Echtzeit-Betriebssystem Echtzeiterweiterung für Standardbetriebssstem • z.B. VxWorks oder QNX • z.B. IntervalZero RTX, tenAsys INtime RTOS oder RT-Linux • Spezifisches Know-how • Teilweise spezielle Entwicklungsumgebungen • Standardanwendungen können weiter verwendet werden (Datenbank, Bildverarbeitung, HMI) • Integration von Anwendungen (Datenbank, Bildverarbeitung, HMI) erfordert teilweise Speziallösungen • Kompromisse und Abhängigkeiten vom Gast bleiben (z.B. geteilte Ressourcen, etc.) è Dritter Ansatz – Virtualisierung ? Industrie Workshop PC-based Automation Nov. 2015 Seite 7 Virtualisierungskonzepte Virtualisierung Typ 1 Hosted Hypervisor Virtualisierte Ressourcen Emulierte Ressourcen Z.B. VmWare Workstation, KVM Industrie Workshop PC-based Automation Nov. 2015 Seite 8 Typ 2 Bare Metal Hypervisor Bare Metal Ressourcen Virtualisierte Ressourcen Emulierte Ressourcen Z.B. VmWare ESXi Server, RTS Real-Time-Hypervisor, Citrix XenServer Typ-2-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! Industrie Workshop PC-based Automation Nov. 2015 Seite 9 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 Der SIMATIC S7-1500 Software Controller § Siemens Hypervisor à Bare Metal Hypervisor Windows § S7-1500 Steuerung auf einem PC Windows Appl. § Nutzung Standard PC Ressourcen für SPS (CPU, Massenspeicher, Feldbusschnittstellen) Windows Appl. Windows Appl. § Verbesserte Verfügbarkeit und Stabilität mit einem Maximum an Unabhängigkeit zu Windows CPU 1505S Siemens Hypervisor Open Controller Industrie Workshop PC-based Automation Nov. 2015 Seite 10 § Sicherheit und Schutz für Steuerungsanwendungen mit Software Controllern auf höchstem Niveau SIMATIC S7-1500 Software Controller Basis ist Siemens Bare Metal Hypervisor Möglichkeiten / Vorteile § Boot unabhängig vom Windows à 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 Industrie Workshop PC-based Automation Nov. 2015 Seite 11 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 à 4 logische Kerne CPU 1507S Echtzeiterweiterung Siemens Bare Metal Hypervisor Hyperthreading ON 1 logischer Kern für RTX à 3 verbleibende log. Kerne Industrie Workshop PC-based Automation Nov. 2015 Seite 12 WinAC RTX 2010 Hyperthreading OFF 1 Kern für RTX à 1 verbleibender Kern 1 physischer Kern durch CPU 1507S à 2 verbleibende log. Kerne SIMATIC S7-1500 Software Controller – Unabhängig vom Windows Partitionierung des PC durch Siemens-Hypervisor PC Windows • Exklusiver CPU Kern à Deterministik und Performance für die SPS Windows Appl. Windows Appl. • Exklusiver Speicher à Bestmögliche Sicherheit und Know-how Schutz SIMATIC Communication Windows Appl. • Exklusive Feldbus Schnittstellen à Harte Echtzeit für PROFINET und PROFIBUS CPU 1507S SIMATIC Kommunikationsarchitektur Siemens-Hypervisor CPU Core Ethernet CPU Core PROFINET memory graphics memory PROFIBUS Industrie Workshop PC-based Automation Nov. 2015 Seite 14 • Lokale Kommunikation von Software Controller mit HMI und anderen Windows Anwendungen • SPS-Kommunikation über Windows- und PROFINET verfügbar (Engineering, HMI, TCP/UDP, Web-Server) S7-1500 Software Controller – Konzept für Massenspeicher Windows-unabhängiger Zugriff auf HDD/CFast/SSD PC Windows • Windows arbeitet auf emuliertem Massenspeicher • Software Controller hat speziellen „para virtualisieren“ Zugriff auf Massenspeicher à Unabhängig vom Zustand des anderen Gast-OS !! Windows Appl. Windows Appl. Windows Appl. CPU 1507S Siemens-Hypervisor Virtualisiert Para-virtualisiert Private Data PC Mass Storage Industrie Workshop PC-based Automation Nov. 2015 Seite 15 Configuration User files If file storage configured: Program Archives Diag Buffer Initial Data Initial Data Recipes Process Data load memory Retentive Data Systemhochlauf Boot PC Optional (für Service) Starte Hypervisor Erzeuge Gast 0 Erzeuge Gast 1 Starte Windows Starte Windows Starte Software Controller Industrie Workshop PC-based Automation Nov. 2015 Seite 16 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 Live Demo Reboot Windows with SIMATIC S7-1500 Software Controller Industrie Workshop PC-based Automation Nov. 2015 Seite 17 SIMATIC S7-1500 Software Controller https://youtu.be/UY2j5a5HAMs Industrie Workshop PC-based Automation Nov. 2015 Seite 18 SIMATIC S7-1500 Software Controller Highlights CPU 150xS Performance Unterstützte Plattformen Verbesserte Code Bearbeitung Kompatibilität und Skalierbarkeit 64 Bit Ausnutzung Windows 7 32 and 64 Bit Microbox IPC4x7D Schneller Hochlauf @ PC boot Code Kompatibilität zu S7-1500 Motion & Trace Box/Rack/Panel IPC6x7D/8x7D Robustheit Innovatives Echtzeitkonzept basierend auf Virtualisierungskonzepten Security Verbesserter Kopier- und Know-HowSchutz Verbesserte Kommunikationssicherheit 100 % Entkopplung von Windows Reboot Windows – bei laufender Steuerung Open Development Kit Usability Display Applikation für einfache Bedienung Vollständige Projektierung mit TIA-Portal – keine lokalen Einstellungen Industrie Workshop PC-based Automation Nov. 2015 Seite 19 Ausführung von Real-time Algorithmen Aufruf von Windows DLLs SIMATIC S7-1500 Software Controller Portfolio IE/PN PROFIBUS S7-1500 Software Controller CPU Typ CPU 1507S PROFINET / IE ET 200SP Open Controller CM DP CPU 1515SP PC DP Master CPU Typ Windows 1 Schnittstellen 2 Unter Verwendung von PC-Schnittstellen (1 Schnittstelle mit PN IO) Programm- / Datenspeicher 5 MB 20 MB 1 ns (Microbox, Core i7) Bit Performance IO Devices 128 Standard Motion HW Voraussetzungen 60 Achsen § § § § § IPC4x7D, IPC6x7D, IPC8x7D Windows 7 32/64 Bit WES 7 32/64 Bit 4 GB RAM 550 Mbyte freier Festplattenspeicher Industrie Workshop PC-based Automation Nov. 2015 Seite 20 Das Bild k ann… Schnittstellen Controller DVI I 1 3 x USB 1 IE/PN Programm- / Datenspeicher 1 MB 5 MB Bit Performance 10 ns IO Devices Standard Motion HW Optionen 128 125 DP Slaves 30 Achsen WES 7 32 Bit 2 GB RAM 8 GB CFast WES 7 64 Bit 4 GB RAM 16 GB CFast SIMATIC S7-1500 Software Controller Kommunikationsfunktionen Windows Windows Appl. Funktionalität nur über exklusive Schnittstellen der CPU: SIMATIC Communication S7-1500 Software Controller Ethernet PROFINET PROFIBUS § PROFIBUS DP § PROFINET IO § S7-Kommunikation Funktionalität über alle CPU und Windows Schnittstellen: § ES / HMI Kommunikation Windows-Schnitstelle Exklusive Schnittstelle § Open User Communication (OUC) (Windows Kommunikation) PROFINET IO PROFIBUS DP § Webserver Zugriff 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 Industrie Workshop PC-based Automation Nov. 2015 Seite 21 § S7-Routing Funktionalität PC-Intern: § HMI Kommunikation § Open User Communication (OUC) § Webserver Zugriff (HTTP) 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) Industrie Workshop PC-based Automation Nov. 2015 Seite 22 CPU Volume SIMATIC S7-1500 Generation – Neue Funktionen Motion Control Funktionalität Integrierte PID Regelung Integrierter Trace Integrierte Systemdiagnose Webserver mit anwenderdefinierten Seiten Verbesserte Security und Know-How-Schutz Industrie Workshop PC-based Automation Nov. 2015 Seite 23 Live Demo SIMATIC S7-1500 Software Controller im TIA Portal Industrie Workshop PC-based Automation Nov. 2015 Seite 26 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 Industrie Workshop PC-based Automation Nov. 2015 Seite 27
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