“Industrial Ethernet und XML zur - robert-landwehr.de · 1968: erstes Konzept einer SPS: bei GM,...

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"

1

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


Referenten

ChristophChristophGönnheimerGönnheimer

WissenschaftlicherMitarbeiter

RobertRobertLandwehrLandwehr

WissenschaftlicherMitarbeiter

Institut fürWerkzeugmaschinen und Betriebstechnik (wbk)






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Übersicht: Steuerungen

Steuerungen

mechanisch elektrisch fluidisch

analog digital pneumatisch hydraulisch

programmierbar

elektrischSPS (= PLC)

numerischCNC RC4 Achs-NC

SPS


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





3



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


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





4



Evolutionsprozess in derIndustrieautomation

zentralisierteAutomatisierung

dezentralisierte,vernetzte

Automatisierung

heutegestern morgen

UnabhängigeVernetzung

durch Intelligenzin der Peripherie

Zeit

Grad der Dezentralisierung


Vorteile

Vorteile dezentraler,vernetzter Steuerungssysteme

Flexibilitäts-steigerung

VereinfachteInstandhaltung

Entlastung derZentralebene

HöhereVerfügbarkeit

Kostensenkung

Modularisierungder Maschineund Anlage





5



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


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





6



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


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:





7



Sensor-Aktor-Kommunikationüber Ethernet TCP/IP

PC zum Programmierenund Monitoring

A

S

AS

S

Ethernet/TCP/IP

SPS(=PLC)

Verknüpfungs-logik wirddezentral !!


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





8



„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


Hardwareprototypen µ-Webcontroller

RJ45Ethernet-

übertrager

Spannungs-versorgung

µ-Prozessor mitTCP/IP + http-Stack

dig./anal.Sensoren/Aktoren





9



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


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





10



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


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


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


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 ?


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


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





15



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


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





16



Fazit

SOAP

HTTP XML

Ethernet

TCP/IP

SwitchedEthernet

Kommunikationsdurchgängigkeit erreicht beiNetzwerk, Hardware und Software

Entscheidung fürwelche Software undKommunikationslogik

Entscheidung fürwelche

Netzwerkhardware undKommunikations-

infrastruktur


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


Die Clientanwendung





18



Die Clientanwendungals Browservariante


Ausführen einesMontageprogrammes





19



Questions? / Fragen?

????

??

?? ??

??


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





20



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

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