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Di 6: R. Landwehr; SOAP in derAutomatisierungstechnik: "Industrial Ethernet undXML zur Vernetzung von Steuerungen"
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Dienstag, 23. Oktober 2001
Institut für Werkzeugmaschinen und Betriebstechnik Universität Karlsruhe (TH) o. Prof. Dr.-Ing. H. Weule, o. Prof. Dr.-Ing. D. Spath, Prof. Dr.-Ing. J. Schmidt Kaiserstr. 12 , D-76 128 Karlsruhe Tel.: +49 (721) 608 - 2441 / 4011 1
Robert Landwehr, Christoph GönnheimerInstitut für Werkzeugmaschinen und Betriebstechnik
Di6: SOAP in der Automatisierungstechnik:
“Industrial Ethernet und XML zurVernetzung von Steuerungen”
Robert LandwehrRobert Landwehr Info@[email protected] GönnheimerGönnheimer [email protected]@goennheimer.com
Torsten VolkmannTorsten Volkmann Info@[email protected]
Stuttgart, 23. Oktober 2001Stuttgart, 23. Oktober 2001
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Referenten
ChristophChristophGönnheimerGönnheimer
WissenschaftlicherMitarbeiter
RobertRobertLandwehrLandwehr
WissenschaftlicherMitarbeiter
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Übersicht: Steuerungen
Steuerungen
mechanisch elektrisch fluidisch
analog digital pneumatisch hydraulisch
programmierbar
elektrischSPS (= PLC)
numerischCNC RC4 Achs-NC
SPS
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Geschichte der SPS
1968: erstes Konzepteiner SPS: bei GM, USA
1969: Richard Morleybaute bei MODICON
erste SPS
1973: MODICON 084wurde die erste SPS
(PLC) der Weltin Serienproduktion
1975: erste deutscheSPS (PLC) in
Serienproduktion
Siemens S7-300
S5-RU95
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Verwendung von SPSen
Grenzenlose Anwendbarkeit in Produktionssystemen und zivilen Bereichen
Transferanlagen
Verwendungvon SPSen
Gebäude-leittechnik
FahrstühleMontage-anlagen
Anpass-steuerungen in
Wzm.
Koordinationmehrer Roboter imgleichen Kol.-Raum
Briefsortier-anlagen
BDE MDESysteme
Benutzer-Interaktion
(HMI)
QualitätssicherungQ-Datenerfassung
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SA S A
SA
S A
S
SPS(=PLC)
Prozess 1
Prozess 2
Legende:
SPS Verdrahtung (zwei Beispiele)
1. Direkte Verdrahtung
2. Verbindung über Feldbus
Feldbuskoppler
Feldbuskoppler
Feldbuskoppler
Ethernet
A
S
Aktor
Sensor
Feldbus
DirekteVerdrahtung
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Evolutionsprozess in derIndustrieautomation
zentralisierteAutomatisierung
dezentralisierte,vernetzte
Automatisierung
heutegestern morgen
UnabhängigeVernetzung
durch Intelligenzin der Peripherie
Zeit
Grad der Dezentralisierung
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Vorteile
Vorteile dezentraler,vernetzter Steuerungssysteme
Flexibilitäts-steigerung
VereinfachteInstandhaltung
Entlastung derZentralebene
HöhereVerfügbarkeit
Kostensenkung
Modularisierungder Maschineund Anlage
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Kommunikation in der AT, heuteF
eld
eben
eL
eite
ben
eZ
elle
n-
eben
e
Anzeige-einheit SA S
RemoteI/O
A S A
Prozess-Visualisierung
Feldbus 2
S/A-Bus
BusKoppler
Feldbus 3Feldbus 1
SA S
RemoteI/O
SA S
RemoteI/O
OperatorPanel
Control Bus
S A A
Ethernet
InternetExtranet
S
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Nachteile heutiger Systeme
Vielzahl anBussystemen
UnterschiedlicheVerfahren und
Protokolle
Keine Kommunikationsdurchgängigkeit erreicht beiNetzwerk, Hardware und Software
Hersteller-spezifische
Systemlösungen
UnterschiedlicheBetriebsysteme
AktuelleSituation
UnterschiedlicheTopologien
Anpassungs-prozessoren und
Gateways
HeterogenerDatenbestand
Hohe Kostenund eine Vielzahl an
herstellerspezifischenBauteilen
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Vertikale IntegrationF
eld
eben
eL
eite
ben
eZ
elle
n-
eben
e
A S A
Deterministisches Echtzeit Ethernet
SA S
RemoteI/O
SA S
RemoteI/O
Ethernet TCP/IP
Ethernet TCP/IP
InternetExtranet
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Durchgängiges Ethernet TCP/IP
Steuerungs-komponenten-Sensoren-Aktoren-kleinere Gruppen vonSensoren und Aktoren
Ethernet (TCP/IP)
Leg
end
e:Zwischen-ziel
PC (Programmieren u. Steuern)
Dur
chgä
ngig
:TC
P/IP
Ziel
PC konfiguriert Netz PC zum Monitoring
Komponenten werden parametrisiertund Eigenschaften eingestellt.
Komponenten arbeiten undkommunizieren nur miteinander.
Kommunikation über:
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Sensor-Aktor-Kommunikationüber Ethernet TCP/IP
PC zum Programmierenund Monitoring
A
S
AS
S
Ethernet/TCP/IP
SPS(=PLC)
Verknüpfungs-logik wirddezentral !!
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Sensor/Aktor an Ethernet ?
Rechner zur Steuerung (IPC)? Legende:
Steuerungs-komponente(Sensor/Aktor)
Ethernet (TCP/IP)
Lösung: µ-Webservice-Providerauf XML und SOAP Basisfür Sensor-/Aktoranbindung
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„Low cost“ µ-Webcontroller
Übertrager
Eth
erne
t
An
alo
g-
sig
nal
e
Low-costµ-Controller
Ethernet Controller
adaptierbare Spannungsversorgung
Taktoszillator
Dig
itale
I/O-P
orts
Ana
loge
I/O-P
orts
Taktoszillator
Dig
ital
-si
gn
ale
TCP,UDP
SensorAktor
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Hardwareprototypen µ-Webcontroller
RJ45Ethernet-
übertrager
Spannungs-versorgung
µ-Prozessor mitTCP/IP + http-Stack
dig./anal.Sensoren/Aktoren
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Echtzeitfähigkeit durch geswitchtesIndustrial Ethernet
1 . . 10
1 . . . 10
1...10 Endgeräte (20 Mbit/s)
(200 Mbit/s)
(2 Gbit/s)
Beispiel: 1000 EndgeräteUnkritische Gesamtverz.Problem:many-to-one-traffic
Switch-Matrix
Netz 1
Netz 2
Netz 3
Netz 1
Netz 2
Netz 3
Eingangs-Puffer
Ausgangs-Puffer
1
2
3
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Ethernet bis an die Maschine: Pro / Kontra
Thema Wertung Bemerkung
Determinismus Kollision möglich dadurch stark unterschiedlicheReaktionszeiten.
Schicht 7 ( Applikation ) Integration von Geräten verschiedener Herstellerschwer möglich. (keine Interoperabilität).
Große Datenmenge
Geschwindigkeit 10.. 100Mbd ohne Einschränkung der Teilnehmer-zahl und Buslänge
Kleine Datenmenge Dies kommt sehr häufig in der Automation vor.z.B.:16bit E/A benötigen 300bit Overhead !
Elektromagnetische Vert. Potentiale, aber noch wenige Technologie
Sicherheitsanwendungen https, aber aufwendig
Powerline soll zukünftig kommen
EX - Bereich TwistedPair und RJ45 bisher nicht eigensicher=> Lichtwellenleiter
Kompatibilität zu Firmen -netzen ( LAN, Intranet..)
Großer Vorteil für Ethernet: VorhandeneInstallationen können voll genutzt werden.
Kosten Die kostengünstige Schnittstelle wird durchHubs oder Switches wieder aufgewogen.
Kabelmedien Kupferkabel, Lichtwellenleiter, Zukunft: Funk
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Ethernet und EMV im Fabrikumfeld ?
>10Ethernet
2,5MPI
1Profibus DP
StörfestigkeitBussystem
Koppelstrecke
EM-Koppelstrecke
Messung in Anlehnung an EN 61000-4-6
Konstante Generatorleistung im Frequenzbereichvon 150 kHz – 80 MHz zur Erzeugung einessinusförmigen Störsignals (80% amplitudenmoduliertmit 1kHz).
EM-Koppelstrecke mit 150 Ω für kapazitive undinduktive Kopplung des Störsignals in dieDatenleitung (Bussystem) der beiden SPS-Einheiten.
Strip-Line
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Kommunikation
ERP PPS
Dienstleistungsanbieter
SIS
BizT@lk
BizT@lk
SOAP
SOAPSOAPSOAP
SensorenSensorenAktoren
Steuerungen
Roboter-Sensorenu. Akt.
Roboter
Mini-WEB-ServiceMini-WEB-Service
Mini-WEB-Service
TCP/IP Anbindung
TCP/IP Anbindung
TCP/IP
TCP/IP
TCP/IP
TCP/IP
TC
P/IP
TCP/IP
Switch
Switch
Switch
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SOAP
HTTP + XML = SOAP
Kodiersprache fürAnfrage- und
Antwortparameter
Transporteur
SOAP = RPC via HTTP
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XML in der Automatisierung
XML
XML trennt die Struktureines Dokumentes von
ihrem Inhalt
<element name='greiferauf'><type>
<element name='clientsessionid' type='dt:string'/></type>
</element><element name='greiferaufResponse'>
<type><element name='return' type='dt:string'/>
</type></element>
XML basiert auf derTextform, was
Transparenz undPortabilität ermöglicht(nicht wie bei DCOM)
XML ist sehr flexibel undlässt sich gut erweitern
(extensible markup)
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Grundidee – SOAP in der AT
A S A
Ethernet TCP/IP
InternetExtranet
SOAP Aufruf
z.B. Setze Aktor xy auf „ Ein“
Integriertesµ-Web
im Aktor xy
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Beispiel eines SOAP-Aufrufs
POST /HTTP/1.1
Host: wbkpc073.mach.uni-karlsruhe.de
<?xml version="1.0"?>
<SOAP:Envelope xmlns:SOAP=
"http://schemas.xmlsoap.org/soap/envelope/"
SOAP:encodingStyle=
"http://schemas.xmlsoap.org/soap/encoding/">
<SOAP:Body>
<greiferauf>
<clientsessionid>44</clientsessionid>
</greiferauf>
</SOAP:Body>
</SOAP:Envelope>
Aufruf
HTTP/1.1 200 OK
Content-Type: text/xml
Content-Length: xxx
<?xml version="1.0"?>
<SOAP:Envelope xmlns:SOAP=
"http://schemas.xmlsoap.org/soap/envelope/"
SOAP:encodingStyle=
"http://schemas.xmlsoap.org/soap/encoding/">
<SOAP:Body>
<greiferaufResponse>
<return>0</return>
</greiferaufResponse>
</SOAP:Body>
</SOAP:Envelope>
Antwort
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Robotersteuerung via SOAP ?
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SOAP-Toolkit
ServerServer
ClientClient
BrowserVBProgramm
IPC-Roboter-System
SOAPSOAP
ServerServer
ClientClient
BrowserVBProgramm
IPC-Roboter-System
Microsoft SOAP-Toolkit
COM
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System Übersicht
dez. Peripherie(remote I/O)
PC mit Internetzugang Bosch SCARA
Siemens Industrie PC (FI 45)
Internet
CCD-Kamera
Webserver
WINLC
S7-300Rho2
Steuerung
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System Detailansicht
SR 600
CCD-Kamera
BOSCH-Industrieroboter
Rho2Steuerung
Internet
LAN
Software Hardware
Siemens-Industrie-PC
PC FI45
Win
do
ws
NT
4.0
Video Karte
WINTV32
PCIInetcam
2.3
RS232
RS
232
ISAHyper-terminal
ISA PROFIBUSDP-5412
Karte
DP
PROFIBUS
I/O
WINLC
S7-300STEP 7
EthernetKarte
TC
P/IP
Webserver
MS PWS
TCP/IP
ISA
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Server
Netzwerk
Client
Webserver
Programm Übersicht
RobocontrolClient
Var
ian
te1
Robocontrol-Webclient
Var
ian
te2
SOAP
WINLC
I/O
Lo
gis
ches
Pro
toko
ll
RobocontrolServer
Roboter PRG
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service.wsdl
service.wsml
service.asp
Webserver
MSSOAPLIB
robocontrol-client.asp
SOAP
Programm Detailansicht
robocontrol-server.exe
s7controller.dll
S7wcdatx.ocxSTEP7PRG
WIN
LC
controller.dll
Roboterprogrammrobot
Lo
gis
ches
Pro
toko
ll
robocontrol-client.exe
MSSOAPLIB
Var
ian
te1
Var
ian
te2
Server Client
DP I/O
CNC I/O
SPS I/O
INPUT
OUTPUT INPUT
OUTPUT
INPUT OUTPUT
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Fazit
SOAP
HTTP XML
Ethernet
TCP/IP
SwitchedEthernet
Kommunikationsdurchgängigkeit erreicht beiNetzwerk, Hardware und Software
Entscheidung fürwelche Software undKommunikationslogik
Entscheidung fürwelche
Netzwerkhardware undKommunikations-
infrastruktur
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Outlook
• SOAP Anpassung des wbk µ-Webserviceproviders
• Weiterentwicklung des Hardwarekonzeptes(Microcontroler mit TCP/IP-Stack)
• LowCost SOAP Anbindung für Microcontroller
SOAP Parser für Micro-Controler
Echtzeituntersuchungen anSOAP-Steuerungsnetzwerken
Konfiguration der Netzwerke im rauhenindustriellen Umfeld
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Versuchstand des SCARA-Montageroboters im wbk
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Die Clientanwendung
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Die Clientanwendungals Browservariante
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Ausführen einesMontageprogrammes
WebServices 2001: Conference Proceedings
Institut für Werkzeugmaschinen und Betriebstechnik
Universität Karlsruhe (TH)
Di 6: R. Landwehr; SOAP in derAutomatisierungstechnik: "Industrial Ethernet undXML zur Vernetzung von Steuerungen"
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Further InformationWeitere Informationen
Online :• Homepage des Instituts: www-wbk.mach.uni-karlsruhe.de• Infos zum Competence Center am Institut: www.biztalk-center.com• SOAP-Infos von MS: www.microsoft.com/mind/0100/soap/soap.asp• Weitere Infos und Vorträge zum Thema: www.robert-landwehr.de• msdn.microsoft.com/workshop/xml/articles/xmlmanifesto.asp
Literatur :• Ethernet TCP/IP für die Industrieautomation
Frank J. Furrer, Hüthig-Verlag
• Switched and Fast EthernetBreyer, Robert; Riley Sean, MacMillan Computer Publishing Emeryville, USA 2nd Edition,1999, ISBN 1-56276-426-8
• Ethernet-TCP/IP: Hindernisse, Lösungen und Chancen für ein neuartigesSteuerungsnetzSpath, D.; Landwehr, R.; Gönnheimer, C., Kongress zur SPS/IPC/DRIVES 2000 - ElektrischeAutomatisierungstechnik - Systeme und Komponenten, November 2000, Nürnberg
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Glossary / Glossar
• ARP: Adress Resolution Protocol• RARP: Reverse Adress Resolution Protocol• IP: Internet Protocol• GGP: Gateway-to-Gateway Protocol• EGP: Exterior Gateway Protocol• RSVP: Resource Reservation Protocol• ICMP: Internet Control Message Protocol• IGMP: Internet Gateway Multicasting Protocol• OSFP: Open Shortest Path First Protocol• TCP: Transmission Control Protocol• UDP: User Datagram Protocol
COM:COM: ComponentComponent ObjectObject ModelModel
DCOM:DCOM: DistributedDistributed COMCOM
OPC:OPC: OLE forOLE for ProcessProcess ControlControl
OLE:OLE: ObjectObject LinkingLinking andand EmbeddingEmbedding
CORBA:CORBA: CommonCommon RequestRequest BrokerBroker ArchitectureArchitecture
SIS:SIS: Service Information SystemService Information System
SPS:SPS: Speicherprogrammierbare SteuerungSpeicherprogrammierbare Steuerung
PLS:PLS: ProgrammableProgrammable LogicLogic ControlControl
AT:AT: AutomatisierungstechnikAutomatisierungstechnik
HTTP:HTTP: Hypertext TransferHypertext Transfer ProtocolProtocol
XML:XML: ExtensibleExtensible MarkupMarkup LanguageLanguage ;;--))
SOAP:SOAP: SimpleSimple ObjectObject AccessAccess ProtocolProtocol
SGML:SGML: StandardStandard GeneralizedGeneralized MarkupMarkupLanguageLanguage
CSMA/CD:CSMA/CD:CarrierCarrier--SenseSense MultipleMultiple--Access/Access/CollisionCollision--DetectionDetection
WSDL:WSDL: Web Service DeskriptionWeb Service Deskription LanguageLanguage
WSML:WSML: Web Service MetaWeb Service Meta LanguageLanguage
ASP:ASP: ActiveActive ServerServer PagesPages
ISAPI:ISAPI: Internet Server APIInternet Server API
API:API: ApplicationApplication ProgrammingProgramming InterfaceInterface