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Middleware in Automatisierungssystemen Fakultät für Elektrotechnik und Informationstechnik, Professur für Prozessleittechnik VL Prozessleittechnik I (SS 2013) Professur für Prozessleittechnik

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Middleware in Automatisierungssystemen

Fakultät für Elektrotechnik und Informationstechnik, Professur für Prozessleittechnik

VL Prozessleittechnik I (SS 2013) Professur für Prozessleittechnik

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Agenda

Middleware

• Begriff

• Motivation

• Aufgaben und Funktion

• Anforderungen

OPC UA

• Einführung

• Architektur

• Transport

• Datenmodell

• Dienste

• Informationsmodell

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Folie 2

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Middleware

„Der industrielle Software-Klebstoff“

Fakultät für Elektrotechnik und Informationstechnik, Professur für Prozessleittechnik

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Begriffsbestimmung Middleware

Begriff aus der Informatik […]:

„Schicht zwischen Anwendungen und verteilten Plattformen, die in einem gewissen Maß die Verteilung von Daten, die Verarbeitung und die Koordination von verteilten Prozessen vor den Anwendungen verbirgt.“

Middleware für Automatisierungstechnik [VDI/VDE 2657-1]:

„Softwareschicht zur Verbindung von Komponenten einer automatisierungstechnischen Anwendung, beispielsweise Anlagen, Maschinen, Steuerungen, Leitsysteme oder Algorithmen.“

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Folie 4

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Umgebung von Middleware

Schnittstelle zwischen Softwaresystemen

Keine direkte Nutzerinteraktion

Skalierbarkeit der Hardware

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www.embedded-systems.portal.com

Folie 5

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Ausgangssituation

Vielzahl an Komponenten und Applikationen in Automatisierungssystemen

Höherer Vernetzung auf Grund von

• Steigender Komplexität

• Zunehmende Leistungsfähigkeit einzelner Systemelemente

• Starke Verbreitung des Internets

Aufbruch der Hierarchie der Automatisierungspyramide

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Folie 6

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Aufgaben und Funktionen

Applikationssicht:

• Teilnehmerübergreifende, einfache und übersichtliche Anwendungslogik

• Programmierung ausschließlich über Middleware

• => Unabhängigkeit von konkreter Implementierung

Hardwaresicht:

• Einfache Interfaces (enden an Middleware-Schnittstelle)

• Unabhängigkeit von Applikation

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Folie 7

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Vorteile

• Abstraktion

Einheitliche Abbildung gleichartiger Funktionen

• Eindeutige Schnittstellen

Befördern arbeitsteilige Prozesse

• Getrennte Entwicklung und Wiederverwertung von Anwendungen und Schnittstellen

• Vereinfachung und Reduktion der zu entwickelnden Schnittstellen

• Geringer anwendungsspezifischer Anteil

Übersichtlichkeit

Flexibilität

Erweiterbarkeit

Wartbarkeit

Zuverlässigkeit

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Folie 8

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Anforderungen an eine Middleware

• GMA FA 5.16

• Abstraktion der Kommunikation

• Abbildung des Daten- und Informationsraums

• Selbstbeschreibung und Abfragen

• Geschäftslogik/Verhalten

• Interoperabilität

• Flexibilität

• Wartbarkeit

• Zuverlässigkeit

• Leistung

• Zertifizierbarkeit

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Folie 9

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Abbildung des Daten- und Informationsraums

Definition der auszutauschenden Daten

• Syntax (transparent für Nutzer)

• Semantik

Fest definierte Modelle

• Einfacher Einstieg der Anwendungsentwicklung

• Semantische Erosion („Missbrauch“ von Feldern)

Generische Modelle

• Erweiterbarkeit des Informationsmodells

• Abstraktion

• Modellierung durch Betreiber

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Folie 10

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IEC 62424 (CAEX)

CAEX als Metamodell

• Beliebige Anlagenmodelle mit beliebigen Eigenschaften

• Oberklassen

Basiselement

Schnittstelle

Komponente

• Rollen- und Bibliothekenkonzept

IEC 62424

• Informationsaustausch zwischen Verfahrens- und Automatisierungstechnik

• PlanthierarchyItem

• PCE-Request

• SignalLine

• SignalInterface

• ProcessConnectionInterface

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Folie 11

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ISO 15926 (Lifecycle Information Exchange)

Ontologie

Wurzelelement „thing“

Zeitlich, räumliche und funktionale Aspekte

Lebenszyklus einer verfahrenstechnischen Anlage

Stark ausgeprägte Hierarchie

Abstrakte Basisentitäten

• Klasse

• Beziehung

• Spezialisierung

• Multidimensionalität

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Folie 12

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IEC/DIN EN 61131-3 (SPS)

Progammiermodell für Speicherprogrammierbare Steuerungen (SPS)

• Informationsmodell für aktuellen Zustand einer SPS

Konfiguration

• Ressourcen

Globale Variablen

• Tasks

• Programme

Variablen

• Funktionblöcke

Variablen

Mechanismen

• Typisierung

• Beziehungen

• Hierarchie

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Folie 13

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IEC 61512 (ISA-88)

Terminologie und Modelle

• verfahrenstechnische Anlage

• Instrumentierung

• Prozeduren, Rezepte

Relationales Datenmodell • Entitäten

• Attributen

• Relationen

Erweiterung • Attributausprägungen

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Automatisiserungssystemen Folie 14

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IEC 62264 (ISA-95)

Modellierung von Produktionsprozessen Modelle

• Hierarchiemodelle Automatisierungspyramide

• Datenflussmodelle Produktionsrelevante

Funktionen

• Objektmodelle Teilprozesse

Methoden • UML-Klassendiagramm • Aggregation • Assoziation • Ausgestalten von Properties

zur Erweiterung

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Folie 15

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Literatur

VDI/VDE 2657-1: Middleware in der Automatisierungstechnik - Grundlagen, 2011.

DIN 62541-1: OPC Unified Architecture - Teil 1: Übersicht und Konzepte, 2011.

Mahnke, W., Gössling, A., Graube, M., Urbas, L., 2011. Information modeling for middleware in automation, in: Proceedings of IEEE 16th Conference on Emerging Technologies & Factory Automation (ETFA 2011). IEEE, pp. 1–7.

Mahnke, W., Gössling, A., Urbas, L., 2011. Informationsmodellierung für Middleware in der Automatisierung. Presented at the Automation 2011, Baden-Baden.

Katasonov, A., Kaykova, O., Khriyenko, O., Nikitin, S., Terziyan, V., 2008. Smart semantic middleware for the internet of things, in: Proceedings of the 5-th International Conference on Informatics in Control, Automation and Robotics. pp. 11–15.

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Folie 16

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OPC-UA

Beispiel für eine industrielle Middleware Eine service-orientierte Architektur für industrielle Anwendungen

Fakultät für Elektrotechnik und Informationstechnik, Professur für Prozessleittechnik

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00 Agenda

01 – Einführung

02 – Architektur

03 – Transport

04 – OPC UA Datenmodell

05 - OPC UA Base Services

06 - Base Information Model

07 - Ausblick

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Folie 18

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01 Einführung

1987 Windows 2.0, Einführung von Dynamic Data Exchange (DDE)

1990 Windows 3.0, Einführung von OLE 1.0 und COM als Nachfolger von DDE

1993 OLE 2.0, Erweiterung von COM zu DCOM

1996 OPC Specification 1.0, Gründung OPC Foundation

bis 2001 Spezifikationen DA 2.0, A&E, HDA, Batch, Security

Geschichte 1/2

Folie 19

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01 Einführung

OPC Data Access (DA)

• Zugriff auf aktuelle Prozesswerte

• Auswahl von OPC-Items aus OPC-Groups

• Zyklisches Auslesen

• Nur Übertragung neuer Informationen

Wert

Zeitstempel

Qualität (accurate, not available, unknown)

• Weit verbreitet (99% aller OPC-Installationen)

• Unterbau für weitere OPC-Interfaces

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Folie 20

Classic OPC 1/2

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01 Einführung

OPC Alarms & Events (A&E)

• Übermittlung von Ereignis- und Alarmmeldungen

• Verschiedene Quellen

• Subscriptions

• Clientseitige Filterung

OPC History Data Access (HDA)

• Archiv historischer Daten

• Browser

• Auswahl bestimmter OPC-Items

• Aggregationsfuntkionen

• Modifikationsmöglichkeiten

Weitere Interfaces

• OPC Security, OPC Batch, OPC Complex Data, OPC Data eXchange

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Folie 21

Classic OPC 2/2

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01 Einführung

2002 Microsoft stoppt DCOM-Entwicklung und stellt .NET vor, OPC .NET API

2003 OPC XML-DA 1.0, erste SOAP-Schnittstelle, plattformübergreifend

Gründung der Unified Architecture Workgroup

2005 OPC-UA Specification RC1

bis 2009 Step-by-Step-Release der OPC UA Specification Parts

Geschichte 2/2

Folie 22

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01 Einführung

OPC-Foundation • Derzeit über 350 Mitglieder, darunter ABB, Siemens, Hitachi, Honeywell,

Microsoft, Yokogawa

• „The OPC-Foundation is dedicated to ensuring interoperability in automation by creating and maintaining open specifications that standardize the communication of acquired process data, alarm and event records, historical data, and batch data to multi-vendor enterprise systems and between production devices.

Production devices include sensors, instruments, PLCs, RTUs, DCSs, HMIs, historians, trending subsystems, alarm subsystems, and more as used in the process industry, manufacturing, and in acquiring and transporting oil, gas, and minerals.“ [http://www.opcfoundation.org/Default.aspx/01_about/01_history.asp?MID=AboutOPC]

• Enge Kooperation mit anderen Organisationen, deren Informationsmodelle über OPC-UA transportiert werden sollen

Urheber

Folie 23

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01 Einführung

Batch Control - ISA S88 - IEC 61512

MES - ISA S95 - IEC 62264

Substations - IEC TC57 - IEC 61850

ECT / EDD - ISA -IEC 61804

FDT - ISA -IEC 62453

FDI – Field Device Integration

Open O&M - exchange of Operations & Maintenance (O&M) data

Kooperationspartner

Folie 24

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01 Einführung

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Folie 25

Einordnung in Automatisierungspyramide

Polke, Prozessleittechnik, Oldenburg 1994

OP

C

OP

C U

A

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01 Einführung Anwendungsdomäne

Adv. ControlHMI

Human Machine Interface

MESManufactoring Execution

System

SCADASupervisory Control

and Data Acquisition

Batch

Manufacturing, Production and Maintenance

Corporate Enterprise

OPC UA

OPC UA

OPC UA Control

PLCDCS

IndustrialNetworks

DataAcquisition

...

Folie 26

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01 Einführung

• Vereinheitlichung aller Spezifikationen

• spezifikationsübergreifendes Datenmodell

• einheitlicher Namensraum

• hoch performantes Binärprotokoll

• echte Security

• erweiterbare Basis-Services

• schlanke ANSI-C Implementierung für Embedded-Systeme

Eigenschaften

Folie 27

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01 Einführung Spezifikation – IEC 62541

Folie 28

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02 Architektur OPC-UA Architektur

Folie 29

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02 Architektur OPC-UA Server-Architektur

Folie 30

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02 Architektur OPC-UA Client-Architektur

Folie 31

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02 Architektur

• Integration komplexer Daten

• Erweiterter Adress- und Datenraum

• Leistungsfähige, erweiterbare Services

• Robuste Kommunikation

• Skalierbarkeit von Embedded bis ERP

• Zuverlässigkeit und Redundanz

• Sichere Kommunikation

• Generische Simulation und Diagnose

• Generisches Aggregating Server-Konzept

Eigenschaften

UA Client

OPC UA Client SDK

OPC UA Stack

OPC UA Stack

OPC UA Server SDK

UA Server

Network

C/C

++

.NE

TJava

C/C

++

.NE

TJava

Folie 32

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03 Transport Technology Mapping

XML Web Services

TCP/IP

HTTP(S)

SOAP 1.2

WS Secure Conversation

UA XML UA Binary

UA Secure Conversation

UA TCP

SOAP/HTTP with UA Binary

Native Binary

Encoding / Decoding

Security

Transportation

Folie 33

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03 Transport

XML Web Services • Kompatibilität durch Verwendung der W3C-Standards

• Verbindung über HTTP(S) Port 80(443)

• Relativ großer Overhead, geringe Performance

Native Binary • Genau spezifiziert, daher hohe Interoperabilität mit Geräten, die das Protokoll

beherrschen

• Hohe Performance, geringer Ressourcenverbrauch

• Verbindung über TCP Port 4840 bzw. über Tunnel

SOAP/HTTP with UA Binary • Kompromisslösungen zwischen Kompatibilität und Performance

Eigenschaften

Folie 34

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03 Transport Sicherheitsarchitektur

Folie 35

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03 Transport

UA Security

• WS Secure Conversation oder UA Secure Conversation als binäres Aquivalent

• Authentifizierung, Autorisierung, Vertraulichkeit, Datenintegrität, Prüfbarkeit

und Verfügbarkeit auf Basis der Web Service Security Spezifikationen

• Security auf Transport Level (Verschlüsselung), Application Level (Zertifikate)

und User Level (Benutzerauthentifizierung)

Robustheit

• Verbindungsüberwachung in beide Richtungen (Heartbeat, Acknowledgement)

• Datenpufferung und Redundanz

Sicherheitseigenschaften

Folie 36

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04 OPC UA Datenmodell

• Sämtliche Elemente im OPC UA

Adressraum sind Objekte

• Objekte werden definiert durch

Variablen, Methoden und Events

• Objekte und deren

Komponenten werden als ein

Satz von Knoten repräsentiert

Objektmodell

Folie 37

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04 OPC UA Datenmodell

• Elemente des Objektmodells sind im Adressraum als Knoten dargestellt

• Jeder Knoten gehört einer Knotenklasse an, die jeweils ein bestimmtes

Element des Objektmodells darstellt

• Knoten werden durch Attribute beschrieben und durch Referenzen verknüpft

Knotenmodell

Folie 38

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04 OPC UA Datenmodell Knotenklassen

Folie 39

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Urbas (c) 2008-2013 VL PLT-1:: Middleware in Automatisiserungssystemen

04 OPC UA Datenmodell

• Sämtliche Objekte werden durch Knoten im Adressraum dargestellt

• Der Server kann Teile des Adressraumes als eine View definieren und

bestimmten Clients verschiedene Views anbieten

• Der Adressraum ermöglicht einen einheitlichen Zugriff auf Daten (DA),

Historische Daten (HA), Alarme und Zustände (AC) sowie auf Funktionen

(Prog)

• OPC UA ermöglicht es, Knoten innerhalb des Adressraumes sowie innerhalb

eines anderen Adressraumes zu referenzieren

Adressraum

Folie 40

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05 OPC UA Base Services

• OPC UA Service Definitionen sind abstrakte Beschreibungen, keine

Implementierungsspezifikationen

• Ein Service wird definiert durch seine Request- und Response-Messages

• 34 definierte Services sind in 10 Service Sets organisiert

• Sämtliche verfügbaren Services eines Servers sind im Server-Profil definiert

Eigenschaften

Folie 41

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05 OPC UA Base Services

Discovery Service Set

• Dienste zum Feststellen der vorhandenen Server und Endpunkte

SecureChannel Service Set

• Dienste zum Öffnen und Schließen sicherer Kommunikationskanäle

Session Service Set

• Dienste für den Client zum Erzeugen und Verwalten einer Session

NodeManagement Service Set

• Dienste zum Erzeugen und Löschen von Knoten und Referenzen

Service Sets

Folie 42

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05 OPC UA Base Services

View Service Set

• Dienste für den Client zum Navigieren im Adressraum oder im View

Query Service Set

• Dienste für Suchanfragen im Adressraum

Attribute Service Set

• Dienste für den Zugriff auf Attribute von Knoten

Method Service Set

• Dienst für den Aufruf einer Methode eines Objektes

Service Sets

Folie 43

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05 OPC UA Base Services

MonitoredItem Service Set

• Dienste für den Client zum Erzeugen und Verwalten von Monitored Items

• Monitored Items dienen zur Anmeldung für Daten- und

Ereignisbenachrichtigungen

Subscription Service Set

• Dienste für den Client zum Erzeugen und Verwalten von Subscriptions

• Subscriptions steuern die Art und Weise der Daten- und

Ereignisbenachrichtigung

Service Sets

Folie 44

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06 OPC UA Base Information Model

• UPC UA ermöglicht Typdefinitionen mit Eigenschaften und Semantik

• OPC UA definiert die Standard-Informationsmodelle DA, HA, AC und Prog und

ermöglicht die Definition eigener Informationsmodelle basierend auf UML

• UA companion standards definieren Abläufe zur Definition eigener

Informationsmodelle

Eigenschaften

Folie 45

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Urbas (c) 2008-2013 VL PLT-1:: Middleware in Automatisiserungssystemen

06 OPC UA Base Information Model Data Type Hierarchie

Folie 46

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06 OPC UA Base Information Model Reference Type Hierarchie

Folie 47

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06 OPC UA Base Information Model Event Type Hierarchie

Folie 48

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07 Ausblick

• OPC UA Middleware entwickelt sich zum De-Facto Standard in der Automatisierung.

• Comes next: Adaption von Informationsmodellen an OPC UA

• Erste Ansätze zur Integration von ISA95

• EDDL Integration durch FDI

Folie 49

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07 Literatur

Mahnke, W., Leitner, S.-H., Damm, M., 2009, OPC Unified Architecture, Springer Verlag.

DIN 62541-1: OPC Unified Architecture - Teil 1: Übersicht und Konzepte, 2011.

Urbas (c) 2008-2013 VL PLT-1:: Middleware in Automatisiserungssystemen

Folie 50

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Folie 51