Vortrag Dr. Buch (Siemens-Workshop)

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AALE 2015 Jena
PC-based Automation mit
SIMATIC S7-1500 Software Controller
© Siemens AG 2015. Alle Rechte vorbehalten.
siemens.com/answers
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
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04.03.2015
Dr. Axel Buch / GER I WEST APC-IA,
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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04.03.2015
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.)
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04.03.2015
SIMATIC WinAC RTX (F) 2010
 IntervalZero RTX Echtzeiterweiterung für Windows
 Installation von zusätzlicher Windows-Software möglich
(z.B. HMI, Datenbank, etc.)
 Peripherieanschluss über PROFIBUS und PROFINET
(einschl. taktsynchronem Betrieb)
 Engineering mit STEP7
(kompatibel zu S7-300/400)
 Remanente Daten mit USV oder nichtflüchtigem Speicher
(auf ausgewählten SIMATIC IPC)
 Windows XP und Windows 7, 32 Bit
 Betrieb auf SIMATIC Embedded IPC mit Windows Embedded Standard
ohne Festplatte und ohne Lüfter möglich
 Offenheit und Integrationsfähigkeit
Für harte Echtzeitaufgaben
SIMATIC S7 kompatibel
Auch als fehlersichere Variante
WinAC RTX F 2010
verfügbar
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04.03.2015
Windows Kernel Mode
Windows User Mode
WinAC RTX – Real-time Architektur
WinAC RTX
CPU Panel
Windows
Applications
C/C++ / C# / VB.net
ODK
Windows App
WinAC RTX Logic Controller
Windows Kernel
&
PN
Stack
DP
Stack
Code
Execution
C/C++
ODK
RT App.
Device Drivers
IntervalZero RTX Echtzeitkern
HW Plattform und Devices PN-IF
DP-IF
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04.03.2015
WinAC RTX und MultiCore PC
0%
Single Core
100 %
IntervalZero RTX
WinAC RTX nimmt
sich die Rechenzeit,
die es braucht
WinAC
RTX
HMI
Core 1
Multi Core
100 %
IntervalZero RTX
RTX
„Dedicated
Mode“
Ein Core komplett
für WinAC RTX
reseviert
WinAC
RTX
WinAC
RTX
Appl.
n
HMI
100 %
IntervalZero RTX
ODK-Anwend.
„Dedicated
Mode“
100 %
Core 2 - n
Windows
Core 1
Multi Core
Bei hoher Last durch WinAC RTX kann die
Ausführungs- und Reaktionszeit von
Windows- Anwendungen deutlich verlängert
werden!
Windows
Core 2 - n
100 %
Windows
ODKRT App
ODKApp
HMI
Appl.
n
Core-Auslastung
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04.03.2015
WinAC RTX – Zwei Schritte zur Erzeugung einer PC-Station
Runtime System
Engineering Station
1. Einrichten PC Station
2. Konfiguration mit Step 7
Zuweisen von PC HW Ressourcen zu
SIMATIC Objekten
Konfiguration der Eigenschaften der SIMATIC Objekte
Komponenten Konfigurator
Index
Beschreibung
1
IE_Allgemein
2
WinLC RTX
3
OPC Server
Download
4
5
6
7
8
Seite 10
04.03.2015
Basis ist Echtzeiterweiterung für Windows
Möglichkeiten / Vorteile
 Deterministische SPS bis 500 µs (250 µs) Zykluszeit
 Taktsynchroner Feldbus (PROFINET bis 250 µs)
 Funktion auch im Windows Blue Screen
(z.B. durch SW-Fehler in Windows)
 Windows zusätzlich Applikationen installierbar
 Relativ geringe HW Anforderungen (z.B. Single Core CPU)
 Änderung an Konfiguration bei laufendem Windows
(z.B. Schnittstellen-Zuweisung)
 C/C++ Erweiterungen unter Windows und RTX
 Gleiche Entwicklungsumgebung für C/C++ für Windows und Echtzeit
(MS Visual Studio)
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04.03.2015
Basis ist Echtzeiterweiterung für Windows
Einschränkungen / Nachteile
 Kein Neustart von Windows ohne SPS Stopp
 Abhängigkeit vom Windows-File-System
(z.B. umfangreiche remanente Daten, Konfiguration, etc.)
 Abhängigkeiten von Windows-Ressourcen (z.B. Ethernet-Schnittstellen)
 Boot abhängig vom Windows (relativ langsam)
 „Doppelte Konfiguration“ durch Komponenten-Konfigurator
 Für Echtzeiterweiterungen zusätzliches IntervalZero RTX SDK notwendig
 Nur Windows als Host
(WinAC RTX 2010 nur 32 Bit OS!)
 Firmware-Entwicklung Soft-SPS erfordert umfangreiche Anpassungen für
Kompatibilität zu S7-300/400
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04.03.2015
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.)
 Dritter Ansatz – Virtualisierung ?
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04.03.2015
Virtualisierungskonzepte
Virtualisierung
Typ 1
Hosted Hypervisor
Virtualisierte
Ressourcen
Emulierte
Ressourcen
Z.B. VmWare Workstation, KVM
Typ 2
Bare Metal Hypervisor
Bare Metal
Ressourcen
Virtualisierte
Ressourcen
Emulierte
Ressourcen
Z.B. VmWare ESXi Server, RTS Real-Time-Hypervisor,
Citrix XenServer
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04.03.2015
Typ-1-Hypervisor (Native oder Bare Metal)
Bare Metal
Ressourcen
• Aufteilen der Ressourcen
Virtualisierte
Ressourcen
• Exklusiver Zugriff durch Gast
• Spezielle API in Hypervisor für
angepassten Gast
• Intel VTx, AMD-V
• Emuliertes Gerät für Standardgast
• PC Ressourcen werden emuliert,
z.B. Netzwerkkarte, serielle
Schnittstelle oder Massenspeicher
• Keine Anpassung
am Gast notwendig
• Multi-Core CPUs
Echtzeitfähigkeit möglich!
Emulierte
Ressourcen
Hohe Performance bei
minimale Wechselwirkung
Keine Echtzeitfähigkeit
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04.03.2015
Der SIMATIC S7-1500 Software Controller
 Siemens Hypervisor  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
 Sicherheit und Schutz für
Steuerungsanwendungen mit Software Controllern
auf höchstem Niveau
Open Controller
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04.03.2015
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
WinAC RTX 2010
CPU 1507S
2 Kerne mit Hyperthreading
 4 logische Kerne
Echtzeiterweiterung
1 Kern durch RTX reserviert
 3 verbleibende Kerne
1 physischer Kern durch CPU 1507S
 2 verbleibende Kerne
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04.03.2015
SIMATIC S7-1500 Software Controller – Trennung der PC Ressourcen
Beispiel: SIMATIC IPC 427D Ethernet Schnittstellen
WES7, 32 Bit
WinAC RTX 2010
CPU 1507S
Alle Ethernet Schnittstellen
im Windows Geräte Manager
Echtzeiterweiterung
SPS Schnittstellen als “RTX devices”
immer noch im Windows Geräte Manager
SPS Schnittstellen komplett vom Windows
verborgen
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04.03.2015
Systemhochlauf
Boot PC
Optional (für Service)
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
Starte Hypervisor
Erzeuge Gast 0
Erzeuge Gast 1
Starte Windows
Starte Windows
Starte
Software
Controller
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04.03.2015
Live Demo
Einschalten des PC:
Sehr schneller Hochlauf der Soft-SPS
Event
Zeit
Power ON
0 sec
Boot Menu
17 sec
CPU RUN
36 sec
Gemessen auf SIMATIC CPU 1515SP PC
1 GHz CPU, 4 GB RAM
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04.03.2015
SIMATIC S7-1500 Software Controller – Unabhängig vom Windows
Partitionierung des PC durch Siemens-Hypervisor
PC
Windows
• Exklusiver CPU Kern
 Deterministik und Performance für die SPS
Windows
Appl.
Windows
Appl.
• Exklusiver Speicher
 Bestmögliche Sicherheit und Know-how Schutz
SIMATIC
Communication
Windows
Appl.
• Exklusive Feldbus Schnittstellen
 Harte Echtzeit für PROFINET und PROFIBUS
CPU 1507S
SIMATIC Kommunikationsarchitektur
Siemens-Hypervisor
• Transparente und sichere Kommunikation zwischen
Controller und Windows Anwendungen
CPU
Core
Ethernet
CPU
Core
PROFINET
memory
graphics
memory
PROFIBUS
• Lokale Kommunikation von Software Controller mit HMI
und anderen Windows Anwendungen
• SPS-Kommunikation über Windows- und PROFINET
verfügbar (Engineering, HMI, TCP/UDP, Web-Server)
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04.03.2015
S7-1500 Software Controller – Konzept für Massenspeicher
Windows-unabhängiger Zugriff auf HDD/CFast/SSD
PC
Windows
• 400 MB “CPU Volume” für CPU-spezifische Daten
Windows
Appl.
• Davon 320 MB “Ladespeicher” (= S7 Memorycard)
Windows
Appl.
• Zugriff auf Anwenderdateien über File Browser im
Webserver der CPU
• Ablage von Anwenderdateien im Ladespeicher möglich
Windows
Appl.
CPU 1507S
Siemens-Hypervisor
Virtualisiert
Para-virtualisiert
Private Data
Configuration
User files
If file storage
configured:
Program
Archives
Diag Buffer
Initial Data
Initial
Data
Recipes
Process Data
load memory
Retentive Data
PC Mass Storage
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04.03.2015
Basis ist Siemens Bare Metal Hypervisor
Möglichkeiten / Vorteile
 Deterministische SPS bis 500 µs (250 µs) Zykluszeit
 Taktsynchroner Feldbus (PROFINET bis 250 µs)
 Weiterer Gast relativ unabhängig (z.B. WES7 64 Bit)
 Boot unabhängig vom Windows  sehr schnell
 Keine Abhängigkeit Windows-File-System (remanente Daten, Konfiguration, etc.)
 Neustart von Windows bei ununterbrochen laufender SPS
 Weitere Windows Applikationen installierbar
 Funktion auch im Windows Blue Screen (z.B. durch SW-Fehler in Windows)
 Download auch der PC-Konfiguration (Keine „Doppelte Konfiguration“ mehr)
 Sehr gute Abschottung durch Hypervisor  Security / Know-How-Schutz
 Kein spezielles SDK für Echtzeit-Erweiterungen notwendig
 C/C++ Erweiterungen unter Windows und Echtzeit
 Firmware-Code weitgehend identisch mit S7-1500 CPU
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04.03.2015
Basis ist Siemens Bare Metal Hypervisor
Einschränkungen / Nachteile
 Höhere HW Anforderungen (z.B. Dual Core CPU, Intel VTx, AMD-V)
 Änderung an PC-Konfiguration erfordern PC Reboot (Hypervisor)
(z.B. Schnittstellen-Zuweisung)
 Unterschiedliches Engineering C/C++
(Echtzeitseite Eclipse / Webserver, Windows Visual Studio / Filesystem)
 Entwicklungsaufwand für Hypervisor für weitere PC-Hardware
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04.03.2015
Vorteile S7-1500 Generation
Quelle: http://withfriendship.com/user/athiv/fast-fourier-transform.php
Seite 30
04.03.2015
Controller im TIA Portal
Differenzierung innerhalb der S7-1500 Architektur
TIA Portal
S7-1500 Architektur
Engineering
Efficiency
Safety
Security
Motion
Diagnose
Service
Advanced
Controller
Universal-Steuerung für Aufgaben im Maschinen- und Anlagenbau
• Einfache und leistungsfähige Vernetzbarkeit inkl. untergelagerter Steuerungen
• Hohe Skalierbarkeit in Performance und Preis
• Hohe Langzeitverfügbarkeit
Software
Controller
Flexible Steuerung für Sondermaschinen mit hohen Performance und Funktionsanforderungen
• Integration anwenderspezifischer Funktionen über offene Schnittstellen (z. B. C++ / Matlab)
• Flexible Anbindung an beliebige Schnittstellen (z. B. IT) und Feldbussysteme
• Steuerungslösungen mit integriertem HMI
Distributed
Controller
Kompakte Steuerung für Serienmaschinen und dezentrale Maschinenmodule
• Kompakter Aufbau und feingranulare I/Os
• Einfache Anbindung an übergelagerte Steuerungen
• Steuerungslösungen mit integrierter HMI-Funktionalität (CPU 1515SP PC)
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04.03.2015
Innovationen S7-1500 Generation
Integrierte Technologie
Motion Control Funktionalität
• Flexible Anbindung von Antrieben über PROFINET,
PROFIBUS oder analoge Schnittstellen
• Einfache Programmierung der Bewegungsabläufe mit
PLCopen Motion-Bausteinen
• Einheitliche Konfiguration / Projektierung für CPU / HMI /
Antriebe
• Komfortable Diagnose- und Inbetriebnahme-Tools
(Steuertafel, Trace)
• Einfache Fehlersuche durch automatische
Alarmmeldungen an das Engineeringsystem und zum HMI
• Funktionsumfang V13 SP1
Drehzahlachse, Positionierachse, Encoder
Einfache Skalierbarkeit durch Integration der gleichen Motion Control Funktionen in allen CPUs
Seite 32
04.03.2015
Integrierte Technologie
Integrierte PID Regelung
• Für einfache regelungstechnische Aufgaben
• Realisierung von kontinuierlichen, diskrete
(Pulsweitenmodulation) oder Schrittreglern
• Einfache Inbetriebnahme durch automatische
Regleroptimierung
• Mechanismen zur Reaktion bei ungewollten
Prozesszuständen
PID Compact / PID 3-Step
• Kontinuierlicher Regler mit analogem oder pulsweitenmoduliertem Ausgang bzw. spezialisierter Schrittregler für
integrierende Stellglieder (z.B. Ventile)
• Auto-Tuning
Kosteneinsparung durch integrierte PID Regler mit hochwertigem Auto-Tuning
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04.03.2015
Integrierte Systemdiagnose
Projektieren statt Programmieren
• Integrierte durchgängige Systemdiagnose, per default
aktiviert
• Automatisches Update der Diagnoseinformationen bei
neuen HW-Komponenten, kein Zusatzaufwand notwendig
• Systemdiagnoseinformationen im CPU-STOP möglich
• Automatische Aktualisierung im Diagnoseviewer für
Comfortpanels und Scadasysteme und in der Display
Applikation des Software Controllers
Einheitliches Anzeigekonzept
• Einheitliche Klartextinformationen im Panel, TIA Portal,
HMI und Webserver selbst für Meldungen der Antriebe
Effiziente Fehleranalyse durch einheitliches Anzeigekonzept
Seite 36
04.03.2015
Diagnose in Echtzeit - Trace für die CPU 1515SP PC
Trace
• Aufzeichnung von bis zu 16 verschiedenen Variablen in
separatem CPU Speicherbereich
• Unterstützung von bis zu acht unabhängigen Trace-Jobs
gleichzeitig
• Zyklusgranulare Erfassung (Echtzeit), um keinen Wert zu
verlieren
• Vielfältige Triggerbedingungen zum Ausfiltern des
Ereignisses
• Die Aufzeichnung findet unabhängig vom Engineering
System auf der CPU statt zur einfachen Suche von
sporadischen Fehlern
• Exportierbare Messungen zur Dokumentation und
anwenderspezifischen Weiterverarbeitung
(csv und ttrec File)
Programm- und Applikationsdiagnose in Echtzeit zum Erkennen selbst von sporadischen Fehlern
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04.03.2015
Webserver
Integrierter Webserver
 Zugriff auf System- und Prozessmeldungen sowie auf Identifikationsdaten
 Systemdiagnose von allen konfigurierten Modulen
 Kommunikationsdiagnose für Parameter, Statistik und Verbindungsstatus
 Zugriff auf Prozessdaten über Variablentabellen und Variablenlisten
 Anwenderdefinierte Web-Seiten in der Steuerung
 Filezugriff auf Ladespeicher (Rezepte, Archive, Anwenderdateien)
Zugriff auf Web-Server
 PROFINET Schnittstellen der CPU
 Windows und Windows-Ethernet Schnittstellen (HTTP)
R
A
Einfacher remoter Zugriff auf Information zu Prozessparametern und Maschinenstatus
Seite 38
04.03.2015
Datenspeicherung über Rezepte und Archive
Rezepte
 Lesen von Maschinenkonfigurationsdaten
 Lesen von Rezepturdaten
Archive
 Archivierung von Prozesswerten
 Loggen von Ereignissen und Bediener-Aktionen
Zugriff:
 Daten werden im CSV Format im Ladespeicher der CPU abgelegt.
(Auf dem CPU Volume)
 Zugriff über PLC Programm mittels Systemfunktionen
R
A
 Zugriff über File Browser im Webserver der CPU
Einfache file based Archive und Rezepte
Seite 41
04.03.2015
Security Integrated: Kopierschutz
Höherer Kopierschutz
 Binden von einzelnen Bausteinen an die Seriennummer der CPU
 Schutz vor unberechtigtem Kopieren von Programmbausteinen
mit STEP 7
 Schutz vor unberechtigtem Duplizieren der Projektierung
 Entsprechende Meldung im Diagnosepuffer
Schutz vor unautorisierter Vervielfältigung ablauffähiger Programme
Seite 42
04.03.2015
Security Integrated: Know-how Schutz
Höherer Know-how Schutz in STEP 7
 Passwortschutz gegen unberechtigtes Öffnen der
Programmbausteine mit STEP 7 und somit Schutz vor
unberechtigtem Kopieren von z.B. entwickelten Algorithmen
 Passwortschutz gegen unberechtigtes Auswerten der
Programmbausteine mit externen Programmen
 aus dem STEP 7 Projekt
 vom PC-Datenträger
 aus Programmbibliotheken
Schutz des geistigen Eigentums und getätigtem Invest
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04.03.2015
Security Integrated: Zugriffsschutz
Höherer Zugriffsschutz (Authentifizierung)
 Neue Schutzstufe 4 für CPU-Komplettverriegelung
(auch HMI-Verbindungen unterstützen Passwort)*
 Granulare Vergabe von Berechtigungsstufen (1-3 mit eigenem PW)
 Generelle Projektierungssperre über Systemfunktionen
* Optimale Unterstützung durch SIMATIC HMI Produkte und SIMATIC NET OPC Server
Schutz gegen unberechtigte Projektierungsänderungen für sichereren Anlagenbetrieb
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04.03.2015
Security Integrated: Kommunikationsschutz
Höherer Manipulationsschutz
 Verbesserter Schutz gegen Manipulation der Kommunikation
bei Zugriff auf Software-Controller durch digitale Prüfsummen
 Schutz vor Netzwerkangriffen wie Einschleusen gefälschter /
aufgezeichneter Netzwerkkommunikation (Replay Angriffe)
 Geschützte Übertragung von Passwörtern bei Authentifizierung
Schutz der Kommunikation vor unberechtigten Manipulationen für höhere Anlagenverfügbarkeit
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04.03.2015
Zugriffsoptimierung durch die Datenablage in optimierten Bausteinen
Speicherbelegung bei Optimierten Bausteinen
Optimierter
block
4 Byte werden auf einmal gelesen
DW
0
16
W
W
DW
W
W
B
W
W
B B B B X X X
Reserve
32
B
y
t
e
s
Remanenz:
Remanente Daten liegen in
einem separaten Bereich und
können damit einfach als Block
kopiert werden
48
64
80
96
DW
102
128
W
144
Seite 48
04.03.2015
Strukturen liegen separat und
können damit einfach als Block
kopiert werden
B X X
DW
DW
W
W
Bei Spannungsausfall werden
diese Daten CPU internen
gespeichert
MRES setzt diese Daten auf die
im Ladespeicher liegenden
Startwerte zurück
Optimierter Bausteinzugriff
Der Optimierte Bausteinzugriff wird als Default Einstellung verwendet
Vorteile:
1. Schnellstmöglicher Zugriff, da Datenablage unabhängig von der Deklaration optimiert
2. Generell symbolischer Zugriff, keine Gefahr durch fehlerhaften absolute Zugriffe
3. Deklarationsänderungen führen nicht zu Zugriffsfehlern, Beispiel: Einfügen von Variablen
4. Einzelne Variablen können gezielt als remanent definiert werden.
5. Keine Einstellungen im Instanz Datenbaustein notwendig. Es wird alles im zugeordneten FB
eingestellt (z.B. Remanenz).
6. Online Änderungen ohne CPU STOP mit Erhalt der Aktualwerte durch Reserven
7. Größe bis zu 16 MB anstelle 64 KB je Datenbaustein
Seite 49
04.03.2015
Neue Datentypen
Erweiterung der Datentypen für die S7-1500
Datentyp
Größe Wertebereich
USInt
Unsigned Short Integer
8 bit
0 .. 255
SInt
Short Integer
8 bit
-128 .. 127
UInt
Unsigned Integer
16 bit
0 .. 65535
Int
Integer
16 bit
-32768 .. 32767
UDInt
Unsigned Double Integer 32 bit
0 .. 4,3 Mio. (106)
DInt
Double Integer
32 bit
-2,14 Mio. .. 2,14 Mio.
ULInt
Unsigned Long Integer
64 bit
0 .. 18,4 Trio. (1018)
LInt
Long Integer
64 bit
-9,2 Trio. .. 9,2 Trio.
Real
Floating Point
32 bit
-3.40e+38.. 3.40e+38
LReal
Long Floating Point
64 bit
-1.79e+308..1.79e+308
S7-1500 S7-1200
S7-300/400/
WinAC
Seite 50
04.03.2015
Unterstützung Voll-Symbolische Programmierung
Mit vielen „Kleinigkeiten“ wird Anwender unterstützt, voll symbolisch zu
programmieren
Beispiel „Taktmerker“
 Bei Aktivierung werden automatisch
benamte Variablen angelegt
Seite 51
04.03.2015
ET 200SP Open Controller
Seite 53
04.03.2015
Seit 02/2015 – ET200SP Open Controller lieferbar
Seite 54
04.03.2015
ET 200SP Open Controller: CPU 1515SP PC
…für den Aufbau eines multifunktionalen
Automatisierungssystems mit zentraler Peripherie auf
ET 200SP Basis
 PLC-Funktionalität mit innovativem S7-1500 Software
Controller
 HMI-Funktionalität mittels WinCC RT Advanced V13 SP1
 …mit wechselbarer CFast Flash-Speicher Karte für
Betriebssystem, Runtime und Projekt
 …mit integriertem Grafikanschluss
 PROFINET-IO mit ET 200SP Busadapter
 PROFIBUS-DP Anschluss via ET 200SP CM
 Offenes System für Windows Applikationen und C++
Seite 55
04.03.2015
SIMATIC ET 200SP Open Controller
Die kompakte PC-basierte Steuerung in der S7-1500-Familie
Erhöhte Security
Schutz des geistigen Eigentums
und Manipulationsschutz
+
Unabhängig von Windows
+
Höchste Verfügbarkeit der
Steuerung auch bei einem Ausfall
von Windows oder beim
Aufspielen von Updates
PC- und Feldbusschnittstellen onboard
Einfache Anbindung an
Automatisierungs- und
IT-Netzwerke
Kompakte Bauweise
Über 30% Platzersparnis
gegenüber vergleichbaren
Systemen
Effizientes Engineering
+
Durchgängiges Engineering von
Steuerung und Visualisierung im
TIA Portal
+
+
Seite 56
04.03.2015
Der SIMATIC ET 200SP Open Controller im Überblick
Robuste Hardware mit leistungsstarker Software für innovative Maschinen
Hardware
• Lüfterloses Design
• Hoher Temperaturbereich
(0°C bis 60°C)
• Bis zu 4GB RAM
• Alle PC-Schnittstellen onboard
(DVI, USB, Gbit Ethernet)
• Wechselbarer Busadapter für
PROFINET IRT
• Integrierter Run-Stop-Schalter
für die Steuerung
Software
• S7-1500 Software Controller
bereits installiert
• Optional mit installierter
Visualisierungssoftware WinCC
• Visualisierung auch mit
Multitouch-Funktionalität
möglich
• Wahlweise 32 Bit oder 64 Bit
WES 7 Betriebssystem
Seite 57
04.03.2015
Engineering wie bei SIMATIC S7-1500 CPU
Seite 58
04.03.2015
Open Controller Konfiguration
Slots zur
Konfiguration von
ET 200SP Modulen
PN Onboard Interface
fest zugeordnet zum
Software Controller
WinCC RT Adv
(Optional)
CM DP (Optional)
Vorkonfigurierter
Software Controller
Seite 59
04.03.2015
Open Controller Konfiguration vollständig im TIA Portal
Im Engineering:
Auf dem Zielsystem:
Seite 60
04.03.2015
Live Demo
S7-1500 Software Controller
Systemdiagnose
• Diagnose im Panels
• Diagnose im Webserver
Seite 61
04.03.2015
S7-1500S Open Development Kit
Seite 62
04.03.2015
SIMATIC ODK 1500S Highlights
Engineering Unterstützung
Windows Apps: Visual Studio
Realtime Apps: Eclipse (im Lieferumfang)
Robustheit & Echtzeit
Entkopplung von Windows Anwendungen
über asynchrone Ausführung
ODK
Security
KOP, FUP,
AWL
Unterbrechbarkeit von EchtzeitAnwendungen durch höherpriore OBs
PLCProgramm
„Sandbox“ Ausführung für ODK RT
Anwendungen
Schutz von Know How und
Kopierschutz in der CPU
Graph7
OB 1
Usability
Intuitive Verwendung von S7 FB für den
Aufruf von C-Funktionen
SCL
Funktionen
Ausführung von Echtzeitalgorithmen
C++
Ausführen von Code in Windows-DLLs
Seite 63
04.03.2015
SIMATIC ODK 1500S – C/C++ in einem S7-1500 Software Controller
S7-1500 Software Controller – Unterstützung dynamisch
ladbarer Bibliotheken
PC
Windows
Software Controller
SPSProgramm
ODKAnwendung
FB Fct1
• Mehrere Funktionen in einer ODK Anwendung
ODKAnwendung
• Mehrere ODK Anwendungen gleichzeitig
• Sowohl Windows- als auch Echtzeittreiber
Fct1
• Entwicklung in C/C++
Fct2
FB Fct2
dll
so
Siemens-Hypervisor
PC-Hardware
• Windows: DLL (Dynamic Link Library)
• Entwicklung mit Visual Studio C++
• Asynchroner Funktionsaufruf zur Vermeidung von
Echtzeiteinflüssen
• Volle Windows-Funktionalität nutzbar
• Real-time: SO (Shared Object)
• Entwicklung mit Eclipse
• Synchroner Funktionsaufruf (Algorithmen, Regler)
Das ODK 1500S ermöglicht die Entwicklung solcher Anwendungen
Seite 64
04.03.2015
SIMATIC ODK 1500S
Einfacher Aufruf von C Funktionen durch PLC Programm
Automatische Generierung der
Funktionsbausteine für die Verwendung von
ODK-Anwendungen:
 Real-time ODK-Anwendungen haben ein
synchrones Interface
 Windows ODK-Anwendungen haben ein
asynchrones Interface
 Import der Funktionsbausteine über „Externe
Quellen“
Seite 65
04.03.2015
SIMATIC ODK 1500S
Ausführung von Funktionen
Asynchrone Ausführung von Windows Funktionen:
Synchrone Ausführung von Real-time Funktionen:
 Keine Echtzeiteinflüsse durch die Ausführung von Windows
Funktionen
: Synchroner Aufruf von real-time Funktionen
 Ausführung der Funktion auf der gleichen Prioritätsebene wie
der aufrufende OB
 First call – first service, unabhängig von der Priorität des
Aufrufers:
 Jede Funktion wird in einem eigenen Thread ausgeführt;
 C Funktionen können durch höherpriorisierte FB unterbrochen
werden
 Alle Threads haben die gleiche Priorität
 Windows übernimmt das Scheduling zwischen diesen
Threads, eine parallele oder geschachtelte Ausführung ist
möglich; keine Einflussnahme durch die Steuerung möglich;
OB
priority
level C
ODK
OB
priority
level B
OB
priority
level B
ODK
OB
priority
level A
OB
priority
level A
ODK
OB
Windows
ODK
Windows
priority
level C
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04.03.2015
SIMATIC ODK 1500S
Windows ODK-Anwendung
 S7-150xS kann keine Windows DLLs laden
Windows
 Auf der Windows Seite ist der „ODK Host“
installiert
ODK Host
ODK
DLL
 Er kann folgende ODK Anwendungen laden:
ODK
DLL
 32/64 Bit Treiber
 User / Service Anwendungen
CPU 1505S
Siemens Hypervisor
PC
Seite 67
04.03.2015
SIMATIC ODK 1500S
Ablauf – Windows ODK-Anwendung
1500S
Windows
C++
OB,
FB,
FC
CALL FB
Nnn_Load()
Load and initialize
DLL
initialize
CALL FB
Nnn_MyFunc()
Par1
Execute
MyFunc(
&Par1, &Par2, &Par3)
{
Par2
execute
...
Par3
polling
Busy
Error
Done
Status
Return ODK_SUCCESS;
}
Seite 68
04.03.2015
SIMATIC ODK 1500S
Workflow – Windows ODK-Anwendung
Engineering
Workflow
odk
cpp
1. Erstellen der Anwendung in MS Visual
Studio:
“Interface.odk”

Interface.odk:
Definition der Funktionen

<ProjektName>.cpp:
Implementierung der Funktionen
““<ProjektName>.cpp
Build
DLL
scl
2.
Übertragen der DLL auf Zielsystem
(USB-Stick, Netzwerklaufwerk, etc.)
3.
SCL-Sourcen für ODK Funktionen in
TIA Portal Projekt importieren
4.
Erstellen des PLC Programms mit
ODK Funktionsaufrufen
5.
Download und Ausführen des PLC
Programms
Runtime
Target PC
CPU 150xS (F)
Seite 69
04.03.2015
Live Demo
S7-1500S Open Development Kit - Windows
Erstellen und Aufrufen einer C/C++ Funktion in der Software Controller
Applikation als Windows-Treiber
• Erstellen des Projektes
• Laden der DLL auf das Runtime System
• Asynchroner Aufruf einer sehr langwierigen Funktion
Seite 70
04.03.2015
SIMATIC ODK 1500S
Ablauf – Realtime ODK-Anwendung
1500S
OB,
FB,
FC
Realtime Side
C++
CALL FB
Nnn_Load()
Load and initialize
SO
Initialize
CALL FB
Nnn_MyFunc()
Par1
Execute
MyFunc(
&Par1, &Par2, &Par3)
{
Par2
Execute
...
Par3
Return ODK_SUCCESS;
Status
}
Seite 71
04.03.2015
SIMATIC ODK 1500S
Workflow – Real-time ODK Anwendung
Workflow
Engineering
1. Erstellen der Anwendung in Eclipse:
odk
“Interface.odk”

Interface.ODK:
Definition der Funktionen
cpp
““<ProjektName>.cpp

<ProjektName>.cpp:
Implementierung der Funktionen
2.
Übertragen der ausführbaren Datei
in den Ladespeicher der CPU per
Webserver
3.
Übertragen der SCL-Sourcen für die
ODK Funktionen in das TIA Portal
Projekt
4.
Erstellen des PLC Programms mit
ODK Funktionsaufrufen
5.
Download und Ausführen des PLC
Programms
Build
SO
scl
Runtime
Target PC
CPU 150xS (F)
Seite 72
04.03.2015
SIMATIC ODK 1500S
Testen von Real-time Applikationen
Debugging (breakpoints, single steps) mit Windows Test-App.
odk
Enthlät #ifdef Debug:
Main
single step
breakpoint
On
Build
exe
 Target Einstellung “debug”
 Implementierung der
Testumgebung in „Main“
 Der nächste Build erzeugt
eine ausführbare Windows
Date (exe) mit einer DLL
anstelle eines SO.
 Die Exe kann unter
Windows ausgeführt und
vollständig debugged
werden.
„TRACE“ auf dem Zielsystem
#include ODK_Functions.h /* function prototypes */
// #define TRACE_OFF
ODK_RESULT SampleFunction(ODK_INT32
myInt
, ODK_BOOL
myBool
, ODK_DOUBLE
myReal)
{
ODK_RESULT MyResult;
/* here comes the user code
MyResult = ODK_SUCCESS;
ODK_TRACE (“return value: %d”, (int) MyResult);
return MyResult
};
 Jede ODK RT Applikation
hat einen Trace Puffer
 Traces Einträge können
mit dem “ODK_TRACE
Macro eingetragen werden
 Trace Puffer kann mit der
Funktion „GetTrace ()”
ausgelesen werden
 Und z.B. in einer Variablen
Tabelle dargestellt
werden.
MyProject.exe
Seite 73
04.03.2015
Live Demo
S7-1500S Open Development Kit - Realtime
Erstellen und Aufrufen einer C/C++ Funktion in der Software Controller
Applikation als Realtime-Treiber
• Erstellen des Projektes
• Laden des SO auf das Runtime System über den Webserver
• Synchroner Aufruf eines Algorithmus
• Anwenden des SIMATIC Trace zur grafischen Darstellung
• Verwenden der „OutputDebugString“ Funktion ( FB nnn_GetTrace )
Seite 74
04.03.2015
Ausblick / Zusammenfassung
Seite 75
04.03.2015
SIMATIC S7-1500 Software Controller auf weiteren IPCs
Unterstützung SIMATIC IPC 427D für S7-1500 Software Controller
Seite 77
04.03.2015
Zusatztreiber für S7-1500 Software Controller
Serieller Treiber
Serielle Schnittstellen eines PCs von SPS aus nutzen (Drucker,
Scanner, etc.)
Hardware: interne RS232-Schnittstellen, PC-Steckkarten, USBRS232-Adapter, etc.
Fileserver
Datenbausteine in Dateien schreiben bzw. von Dateien Lesen.
Unterschiedliche Dateiformate: CSV, XML, Windows-INI, etc.
FBs zum Löschen oder Kopieren von Dateien.
XML DataAccess
Zugriff auf Einträge in beliebigen XML Dateien
OPC DA Client
OPC UA Client
Datenaustausch mit anderem OPC Server
(OPC DA und OPC Unified Architecture)
SQL Treiber
Direkter Zugriff auf SQL-Datenbank
Verwenden von SQL-Statements
(SELECT, UPDATE, DELETE)
Seite 78
04.03.2015
1500S Target for Simulink
MATLAB/Simulink Modelle auf SIMATIC S7-1500S
Model mit
MATLAB/Simulink
erzeugen
Simulink Modell in
STEP 7
verwenden
1500S Target
erzeugt
SIMATIC Code
direkt aus
Simulink
Engineering
Integration
Model codieren
SCL Quelle
S7
Projekt
Übertragen
DLL / SO
Datei
Seite 79
04.03.2015
SIMATIC ET 200SP Open Controller – Vorteile der PC-basierten Steuerung
Durchgängigkeit innerhalb der ET 200SP Familie
• Erweiterbar durch Technologie- und Kommunikationsmodule
• Platzersparnis durch feingranulare I/O Module und einzeiligem
Aufbau mit bis zu 64 Modulen
Integration von PC-Anwendungen
• Integration von (bereits bestehendem) Hochsprachen-Code
• Direkte Integration von Reglern aus der modellbasierten
Entwicklung
Mehrere Aufgaben auf einem Gerät
• Steuerung, HMI und Windowsanwendungen auf einer CPU
• Funktional zentral erweiterbar mit ET 200SP Modulen
• Integration von Drittanbieter-Software (z. B. Bildverarbeitung)
Seite 80
04.03.2015
Zusammenfassung
• Bare Metal Hypervisor als Grundlage für Virtualisierung
im Automatisierungsumfeld
• Zentrale PC-Ressourcen mit direktem, exklusivem Zugriff
(Speicher, CPU, Feldbus-Schnittstellen)
• SIMATIC S7-1500 Software Controller kombiniert Zuverlässigkeit
und Performance dank Bare Matel Hypervisor mit StandardBetriebssystem
• SIMATIC ET 200SP PC Open Contoller als optimale Plattform
für den S7-1500 Software Controller
• Integration von C/C++ Funktionen sowohl in Echtzeit als auch
Windows möglich mit Open Development Kit
Seite 81
04.03.2015

Vortrag Dr. Buch (Siemens-Workshop)

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