Virtualisierung prozessnaher Steuerungen in der Prozessautomatisierung

Azarmipour, Mahyar; Epple, Ulrich (Thesis advisor); Kowalewski, Stefan (Thesis advisor); Kleinert, Tobias Theodor (Thesis advisor)

Als Manuskript gedruckt. - Düsseldorf : VDI Verlag GmbH (2022)
Buch, Doktorarbeit

In: Fortschritt-Berichte VDI. Reihe 8, Mess-, Steuerungs- und Regelungstechnik 1275
Seite(n)/Artikel-Nr.: XI, 111 Seiten : Illustrationen, Diagramme

Dissertation, RWTH Aachen University, 2022

Kurzfassung

Industrie 4.0 ist ein neues Paradigma, das eine zentrale Rolle in der Entwicklung der zukünftigen Automatisierungssysteme spielt. Die neue Generation der industriellen Automatisierungstechnik zielt auf die Erhöhung der Wandelbarkeit der Automatisierungssysteme ab. Dabei sind die Vernetzung und die Kooperation mit der IT-Welt wichtige Voraussetzungen, um die angeforderte Wandelbarkeit zu erreichen. Daher müssen neue Architekturen und Lösungen eingesetzt werden, um eine Kooperation zwischen den Automatisierungssystemen und der IT zu realisieren. Ziel dieser Arbeit ist ein Architekturentwurf für die Steuerungsgeräte der prozessnahen Komponenten, um diese mit einer höheren Vernetzung und Wandelbarkeit auszustatten. Die Hauptanforderungen, welche von der Architektur erfüllt werden, sind:•Der parallele Betrieb von Anwendungen unterschiedlicher Kritikalität•Das dynamische Deployment von neuen Anwendungen zur Laufzeit•Die Realisierung eines sicheren Gateways für die Kommunikation zwischen Systemen der Automatisierungsebene und übergeordneten IT-Systemen•Die offene Kommunikation mit der IT-Welt•Die Realisierung eines lokalen Software- und Zugriffsverwaltungssystems. Die vorgeschlagene Architektur besteht aus einem Mehrebenen-Komponentenmodell und wird als komponentenbasierte Architektur für Automatisierungssysteme (KAS) bezeichnet. Die unterste Ebene der KAS-Architektur ist die Ebene der Partitionen. Die KAS-Architektursetzt 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. Containertechnologien ermöglichen die Kapselung und Verwaltung der Anwendungen in unterschiedlichen Containern innerhalb einer Partition. Dadurch können beispielsweise unterschiedliche Versionen der Anwendungen in einer Partition verwaltet werden. Die Container bilden die zweite Komponentenebene in der KAS-Architektur. Die letzte Komponentenebene stellt die Kapselung in die Funktionsbausteine dar. Für die Verwaltung der gesamten Komponentenhierarchie ist in der KAS-Architektur ein Verwaltungssystem vorgesehen, das die erforderlichen Dienste zur Komponentenverwaltung zur Verfügung stellt. Das Verwaltungssystem ist eine Systemfunktionalität der KAS-Architektur und in einer eigenen Partition gekapselt. Eine weitere Systemfunktion der KAS-Architektur ist das Interface. Dieses wird ebenfalls in einer eigenen Partition gekapselt. Diese Interface-Partition ist die einzige Partition, die mit externen Komponenten außerhalb der Kernautomatisierung kommunizieren darf. In der Arbeit werden für die Validierung der KAS-Architektur beispielhaft Anwendungspartitionen für die Prozessführung und die Simulation entwickelt. Mit Hilfe dieser Anwendungen können realistische Szenarien der Automatisierungsebene prototypisch implementiert und getestet werden. Die Ergebnisse zeigen, dass die KAS-Architektur eine leistungsfähige und übersichtlich verwaltbare Systemumgebung darstellt, um für neue Anforderungen eine hohe Flexibilität zu bieten, sowie der durchgängigen Interoperabilität der Automatisierungsebene zu genügen, ohne die Integrität der Kernautomation zu gefährden.

Einrichtungen

• Fachgruppe für Materialwissenschaft und Werkstofftechnik [520000]
• Lehrstuhl für Informations- und Automatisierungssysteme für die Prozess- und Werkstofftechnik [526610]