Virtualisierung prozessnaher Steuerungen in der Prozessautomatisierung

Produktbeschreibung

Die vorliegende Arbeit wendet sich an Ingenieur*innen und Wissenschaftler*innen aus der Prozessautomatisierung. Ziel dieser Arbeit ist ein Architekturentwurf für die Steuerungsgeräte der prozessnahen Komponenten, um diese mit einer höheren Vernetzung und Wandelbarkeit auszustatten. Die Architektur setzt Hypervisor-Virtualisierung ein, um eine Trennung der Anwendungen mit unterschiedlichen Anforderungen auf der gleichen Hardware zu ermöglichen. Die Anwendungen werden in vorkonfigurierten Partitionen gekapselt und betrieben. Um die Modularisierung der Anwendungen zu erhöhen, werden Container als zusätzliche Virtualisierungskomponenten eingesetzt. Für die Verwaltung der gesamten Komponentenhierarchie ist ein Verwaltungssystem vorgesehen, das die erforderlichen Dienste zur Komponentenverwaltung zur Verfügung stellt.

Inhaltsverzeichnis

Vorwort III
List of Symbols VII
Kurzfassung IX
Abstract XI
1 Einleitung 1
1.1 Motivation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1
1.2 Zielsetzung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2
1.3 Struktur dieser Arbeit . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3
2 Grundlage und Stand der Technik 5
2.1 Virtualisierung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5
2.1.1 Virtualisierungstypen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5
2.1.2 Virtualisierung mit Hypervisoren . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 6
2.1.3 Virtualisierung mit Mikrokernels . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 7
2.1.4 Hypervisor und Mikrokernel-Technologien . . . . . . . . . . . . . . 8
2.2 Container-Technologien . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 11
2.2.1 Virtualisierungsanwendungen in anderen industriellen Domänen . . 13
2.2.2 Virtualisierung in der Luftfahrt . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 15
2.2.3 Industrielle Automatisierung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 15
2.3 NAMUR Open Architecture . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 16
2.4 Speicherprogrammierbare Steuerungen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 17
2.4.1 Programmierung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 17
2.4.2 Entwicklung der speicherprogrammierbaren Steuerungen . . . . . . 18
2.4.3 Neue Architekturen fur speicherprogrammierbare Steuerungen . . .  19
2.5 Digitale Zwillinge und Verwaltungsschalen . . . . . . . . . . . . . . . . . . 21
2.5.1 Digitaler Zwilling als Validierungskomponente . . . . . . . . . . . . 22
2.5.2 Digitaler Zwilling fur Beobachtung und Optimierung . . . . . . . . 23
2.6 Laufzeitumgebungen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 23
2.6.1 Industrie-PCs und eingebettete Systeme . . . . . . . . . . . . . . . 25
2.6.2 Betriebsmittel und Maßnahmenmodell . . . . . . . . . . . . . . . . 25
3 Anforderung an zukunftige Automatisierungssysteme … 27
3.1 Anforderungen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 27
3.2 Leistungsfähige Ubertragung von Feld- und Automatisierungsdaten an überlagerte Anwendungen . . . .  27
3.3 Prozessbegleitende Optimierung und Uberwachung . . . . . . . . . . . . . 28

3.4 Effiziente interne Kommunikation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 29
3.5 Lokale Komponentenverwaltung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 29
3.6 Dynamisches Komponentenmanagement . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 31
3.7 Explizite Verwaltung und Sicherstellung von QoS-Eigenschaften . . . . . . 31
4 Konzept 33
4.1 Allgemeine Architektur . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 33
4.2 Komponentenhierarchie . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 33
4.2.1 Kommunikation zwischen den Partitionen . . . . . . . . . . . . . . 34
4.3 Systempartitionen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 36
4.3.1 Verwaltungssystem . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 37
4.3.2 Interface . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 38
4.4 Verwaltungsdienste . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 39
4.4.1 Interne Kommunikationsdienste . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 39
4.4.2 Externe Kommunikationsdienste . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 40
4.4.3 Konfigurationsdienste . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 41
4.4.4 Ressourcenverwaltung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 42
4.4.5 Komponentenverwaltungsdienste . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 44
4.5 Anwendungspartitionen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 46
4.6 Evaluation anhand der Anforderungen an die Architektur . . . . . 47
5 Anwendungsszenarien in der Automatisierungstechnik 50
5.1 Architektur der Automatisierungspyramide . . . . . . . . . . . . . . . . . . 50
5.2 Beispielhafte Anwendungspartitionen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 50
5.2.1 Control-Partition . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 50
5.2.2 O&M-Partition . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 53
6 Implementierung fur eine Kaltwalzanlage. . .  54
6.1 Logistik . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 54
6.2 SMS-Demonstrator . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 55
6.3 Aufbau . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 57
6.4 Verification of Request . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 57
6.4.1 Evaluation des VoR-Konzepts . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 60
7 Validierung des Konzepts . . .  65
7.1 Eingesetzte Technologien . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 65
7.1.1 Portierung von ACPLT/RTE und PikeOS . . . . . . . . . . . . . . 65
7.2 Prozessfuhrung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . ¨ 66
7.2.1 Laufzeitanalyse in virtualisierten und nicht virtualisierten Umgebungen . . . . . 70
7.2.2 Kommunikation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 70
7.2.3 Verwaltungssystem . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 73
8 Fazit 77
A Anhang 80
Literatur 103

Keywords: Virtualisierung, Speicherprogrammierbare Steuerung, Informationsdiode, Industrie 4.0, Dynamisches Deployment, Automatisierungstechnik, IT/OT-Konvergenz, Virtualization, Programmable logic controller, Information diode, Industry 4.0, Dynamic deployment, Automation, IT/OT-Convergence