VDI VDE 2657 Blatt 1-2013 Middleware in industrial automation - Fundamentals.pdf

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1、 ICS 25.040.40, 35.240.50 VDI/VDE-RICHTLINIEN Januar 2013 January 2013 VEREIN DEUTSCHER INGENIEURE VERBAND DER ELEKTROTECHNIK ELEKTRONIK INFORMATIONSTECHNIK Middleware in der Automatisierungstechnik Grundlagen Middleware in industrial automation Fundamentals VDI/VDE 2657 Blatt 1 / Part 1 Ausg. deuts

2、ch/englisch Issue German/English Die deutsche Version dieser Richtlinie ist verbindlich. The German version of this guideline shall be taken as authorita-tive. No guarantee can be given with respect to the English translation. VDI/VDE-Gesellschaft Mess- und Automatisierungstechnik (GMA) Fachbereich

3、Industrielle Informationstechnik VDI-Handbuch Informationstechnik, Band 1: Angewandte Informationstechnik VDI/VDE-Handbuch Automatisierungstechnik Vervielfltigungauch fr innerbetrieblicheZweckenichtgestattet/Reproduction even for internalusenotpermittedZu beziehen durch/AvailableatBeuthVerlagGmbH,10

4、772BerlinAlleRechtevorbehalten/ All rightsreservedVereinDeutscherIngenieuree.V.,Dsseldorf2013FrhereAusgabe:12.10Entwurf, deutschFormeredition:12/10Draft,inGerman onlyInhalt Seite Contents Page Vorbemerkung . 2 Einleitung . 2 1 Anwendungsbereich . 3 2 Normative Verweise 3 3 Grundlagen 3 3.1 Ausgangss

5、ituation 3 3.2 Grundlagen zu Middleware in der Automatisierungstechnik . 3 3.3 Aufgaben, Funktion und Vorteile von Middleware 4 4 Anforderungen an Middleware 5 4.1 Abstraktion der Kommunikation 5 4.2 Abbildung des Daten- und Informationsraums . 7 4.3 Selbstbeschreibung und Abfragen 7 4.4 Information

6、ssicherheit . 7 4.5 Geschftslogik/Verhalten . 8 4.6 Interoperabilitt 8 4.7 Flexibilitt 9 4.8 Wartbarkeit 10 4.9 Zuverlssigkeit . 11 4.10 Leistung . 11 4.11 Zertifizierbarkeit 12 5 Prozesse: Auswahl, Konfiguration, Inbetriebnahme und Betrieb 13 5.1 Auswahl . 13 5.2 Konfiguration . 13 5.3 Inbetriebnah

7、me 13 5.4 Betrieb 13 6 Anwendungsbeispiele 14 6.1 Anwendungsbeispiel Gerte-integration und Inbetriebnahme“ 14 6.2 Anwendungsbeispiel Teststand fr Flgelklappensteuerung“ . 15 Schrifttum 16 Preliminary note . 2 Introduction 2 1 Scope . 3 2 Normative references . 3 3 Basic principles 3 3.1 The current

8、situation 3 3.2 Principles of middleware in automation technology . 3 3.3 Tasks, function and advantages of middleware 4 4 Requirements for middleware . 5 4.1 Abstraction of communication . 5 4.2 Representation of the data and information space . 7 4.3 Self-description and queries . 7 4.4 Informatio

9、n security . 7 4.5 Business logic/behaviour . 8 4.6 Interoperability 8 4.7 Flexibility . 9 4.8 Maintainability . 10 4.9 Reliability 11 4.10 Performance . 11 4.11 Certifiability . 12 5 Processes: Selection, configuration, commissioning and operation . 13 5.1 Selection 13 5.2 Configuration . 13 5.3 Co

10、mmissioning 13 5.4 Operation . 13 6 Application examples . 14 6.1 Application example “Device integration and commissioning” 14 6.2 Application example “Test bench for wing flap control” 15 Bibliography 16 B974908A824A6748CAAAA99BAB349F63B2C88DD9B0D2BF8368C461B1CCB65CD15BE74F0686BD19CFC1FA2DEF1929BE

11、ST BeuthStandardsCollection - Stand 2016-11 2 VDI/VDE 2657 Blatt 1 / Part 1 Alle Rechte vorbehalten Verein Deutscher Ingenieure e.V., Dsseldorf 2013 Vorbemerkung Der Inhalt dieser Richtlinie ist entstanden unter Beachtung der Vorgaben und Empfehlungen der Richtlinie VDI 1000. Alle Rechte, insbesonde

12、re die des Nachdrucks, der Fotokopie, der elektronischen Verwendung und der bersetzung, jeweils auszugsweise oder vollstn-dig, sind vorbehalten. Die Nutzung dieser VDI-Richtlinie ist unter Wah-rung des Urheberrechts und unter Beachtung der Lizenzbedingungen (www.vdi-richtlinien.de), die in den VDI-M

13、erkblttern geregelt sind, mglich. Allen, die ehrenamtlich an der Erarbeitung dieser VDI-Richtlinie mitgewirkt haben, sei gedankt. Eine Liste der aktuell verfgbaren Bltter dieser Richtlinienreihe ist im Internet abrufbar unter www.vdi.de/2657. Preliminary note The content of this guideline has been d

14、eveloped in strict accordance with the requirements and rec-ommendations of the guideline VDI 1000. All rights reserved, including those of reprinting, reproduction (photocopying, micro copying), stor-age in data processing systems and translation, either of the full text or of extracts. The use of

15、this guideline without infringement of copyright is permitted subject to the licensing con-ditions specified in the VDI Notices (www.vdi-richtlinien.de). We wish to express our gratitude to all honorary contributors to this guideline. A catalogue of all available parts of this series of guidelines c

16、an be accessed on the internet at www.vdi.de/2657. Einleitung Ein Automatisierungssystem kann aus Sicht der Informationsstrme zwischen den zur Realisierung der Automatisierungsaufgabe notwendigen Verar-beitungseinheiten als ein vernetztes und verteiltes Kommunikationssystem verstanden werden. Dabei

17、wird eine Vielzahl verschiedener Komponenten vernetzt, die beispielsweise Messdaten liefern, Nachrichten bermitteln, neue Information ableiten oder auf den Prozess einwirken. Whrend auf der Aktor-/Sensorebene und der Steuerungsebene meist nur geringe, dafr zeitkritische Datenmengen ber-tragen werden

18、, nimmt die Datenmenge auf der Prozessfhrungsebene rasch zu; auf der Leit- und Planungsebene werden Netzwerke mit grerer Bandbreite bentigt. Da auf den Fhrungs-, Leit- und Planungsebenen groe Mengen von Daten integriert und verteilt werden mssen, um von komplexen Dienstpro-grammen verarbeitet zu wer

19、den, haben sich dort Middlewareanstze mit entsprechend vielseitigen Protokollen etabliert. Diese Middleware dient zu-meist als Verteilungsplattform, indem sie die Kom-munikation zwischen verschiedenen Diensten und Prozessen beispielsweise durch Protokollwandlung, Funktionsaufrufweiterleitung oder Na

20、chrichtenber-mittlung gewhrleistet. Auf den prozessnahen Ebenen existiert dagegen kein etablierter Middlewarestandard. Vielmehr herr-schen zahlreiche proprietre Quasistandards und inkompatible Schnittstellen vor, wodurch die An-bindung vieler Anlagenkomponenten separat pro-grammiert und gesteuert we

21、rden muss. Die daraus resultierende, langwierige Softwareentwicklung hufig sogar mit der Notwendigkeit der Mehrfach-Introduction In terms of the information flows between the pro-cessing units necessary for the realisation of the automation tasks, an automation system can be regarded as a networked

22、and distributed communi-cations system. This involves networking a range of components which, for example, supply meas-urement data, transmit messages, derive new in-formation, or influence the process. Whereas at the actor/sensor level and the control level only small amount of (usually time-critic

23、al) data are trans-ferred, the amount of data increases rapidly at the level of process management; at the control and planning level networks are required with a larger bandwidth. Since large amounts of data have to be integrated and distributed at the management, control and planning levels for su

24、bsequent processing by com-plex service programs, middleware approaches with suitably flexible protocols have established themselves. Such middleware usually serves as a distribution platform, ensuring communication be-tween various services and processes, for example by protocol conversion, functio

25、n call forwarding, or communication. In contrast, there is no established middleware standard at the process-related levels. Instead there are numerous proprietary quasi-standards and in-compatible interfaces, so that the integration of many plant components has to be separately pro-grammed and cont

26、rolled. The resultant time-consuming software development frequently re-quiring repetitions leads to an explosion of costs, B974908A824A6748CAAAA99BAB349F63B2C88DD9B0D2BF8368C461B1CCB65CD15BE74F0686BD19CFC1FA2DEF1929BEST BeuthStandardsCollection - Stand 2016-11All rights reserved Verein Deutscher In

27、genieure e.V., Dsseldorf 2013 VDI/VDE 2657 Blatt 1 / Part 1 3 entwicklung fhrt zu Kostenexplosionen, Pro-jektfehlschlgen und Misstrauen gegenber Kom-ponentenherstellern und Entwicklern auf Seiten jener Anwender, die von deren proprietrer Hard- und Software abhngen. Betrchtlich erschwert wird dadurch

28、 auch jegliches Software-Update, das beispielsweise bei Protokollnderungen seitens des Komponentenentwicklers zu Inkompatibilitten mit der Software des Anlagenentwicklers fhren kann. project failures and a loss of trust in the vendors and developers of components on the part of the users who are dep

29、endent on the proprietary hard-ware and software. This can also considerably impair software updating if, for example, protocol changes by the component developers lead to in-compatibilities with the software of the plant de-veloper. 1 Anwendungsbereich Diese Richtlinie beschreibt Begriffe und nennt

30、 Merkmale und Anforderungen an Middleware in der Automatisierungstechnik, die fr die umfassende, flexible, effiziente und effektive Lsung der Integra-tionsaufgaben im Bereich der Automatisierungstech-nik notwendig sind. Damit hilft die Richtlinie bei der Auswahl, Entwicklung und Verwendung von Middl

31、eware in der Automatisierungstechnik. 1 Scope This guideline describes concepts and gives char-acteristics and requirements for middleware in automation technology as necessary for the com-prehensive, flexible, efficient and effective solu-tion of the integration tasks in the field of automa-tion te

32、chnology. In this way the guideline assists with the selection, development and use of mid-dleware in automation technology. 2 Normative Verweise Das folgende zitierte Dokument ist fr die Anwen-dung dieser Richtlinie erforderlich: VDI/VDE 2182 Blatt 1:2011-01 Informationssicher-heit in der industrie

33、llen Automatisierung; Allge-meines Vorgehensmodell 2 Normative references The following referenced document is indispensa-ble for the application of this guideline: VDI/VDE 2182 Part 1:2011-01 IT security for industrial automation; General model 3 Grundlagen 3.1 Ausgangssituation Heutige Automatisie

34、rungssysteme bestehen aus einer Vielzahl von Komponenten und Applikatio-nen. Aufgrund steigender Komplexitt nimmt die Vernetzung dieser Komponenten und Applikatio-nen zu. Die starke Verbreitung des Internets und dessen Standards zum einen sowie die zunehmende Leistungsfhigkeit von einzelnen Systemel

35、ementen wie Feldgerten zum anderen erleichtern und ver-strken den Trend der Vernetzung. Die hierarchi-sche Struktur der Automatisierungspyramide wird dabei immer mehr aufgebrochen. Das daraus resul-tierende verteilte System muss mit den aus der Informatik bekannten Methoden entwickelt, im-plementier

36、t und betrieben werden. Middleware ist dabei ein mgliches Mittel, um Automatisierungs-aufgaben in einem verteilten System effektiv und effizient umzusetzen. 3 Basic principles 3.1 The current situation Currently, automation systems consist of a variety of components and applications. As a result of

37、the growing complexity there is an increase in the networking of these components and applications. The spread of the internet and internet standards in combination with the increased potential of the individual system elements such as field devices reinforce the trend of networking. The hierarchica

38、l structure of the automation pyramid is increasingly being broken down, and the resultant distributed system shall also be developed, implemented and operated with the familiar computer science meth-ods. Middleware is one way to fulfill automation tasks in a distributed system effectively and effi-

39、ciently. 3.2 Grundlagen zu Middleware in der Automatisierungstechnik Der Begriff Middleware stammt ursprnglich aus der Informatik und wird dort anwendungs-spezifisch sehr unterschiedlich definiert. Im All-gemeinen ist eine Middleware eine Schicht zwi-3.2 Principles of middleware in automation techno

40、logy The term middleware originates from computer science and is defined there in very different ways depending on the specific application. Generally, middleware is a layer between applications and B974908A824A6748CAAAA99BAB349F63B2C88DD9B0D2BF8368C461B1CCB65CD15BE74F0686BD19CFC1FA2DEF1929BEST Beut

41、hStandardsCollection - Stand 2016-11 4 VDI/VDE 2657 Blatt 1 / Part 1 Alle Rechte vorbehalten Verein Deutscher Ingenieure e.V., Dsseldorf 2013 schen Anwendungen und verteilten Plattformen, die in einem gewissen Ma die Verteilung von Daten, die Verarbeitung und die Koordination von verteilten Prozesse

42、n vor den Anwendungen verbirgt 1. Eine Middleware stellt somit einen Nutzen bei der Entwicklung von Anwendungen dar und betrifft nur indirekt einen Benutzer, der diese Anwendungen einsetzt. Die vorliegende Richtlinie versteht Middleware fr die Automatisierungstechnik als Softwareschicht zur Verbindu

43、ng von Komponenten einer automati-sierungstechnischen Anwendung, beispielsweise Anlagen, Maschinen, Steuerungen, Leitsysteme oder Algorithmen. Je nach Anwendungsfall kann die Middleware dabei sowohl auf einem einfachen Feldgert wie einem Temperatursensor als auch auf einem leistungsfhigen Rechner la

44、ufen. Entsprechend den unterschiedlichen Anforderun-gen gibt es eine Vielzahl von proprietren auto-matisierungsspezifischen Middlewareprodukten und -schnittstellen, beispielsweise ACPLT-KS 2, CORBA 3, DOME 4, FDT 5, LabMap 6, MIMOSA OSA-EAI 7 sowie internationale Standards wie DIN EN 62541 (OPC UA),

45、 DIN EN 61499, DIN EN 62264 oder DIN EN 61850. distributed platforms which, to a certain extent, conceals the distribution of data, the processing and the coordination of distributed processes from the applications 1. Middleware is therefore of benefit in the development of applications and only ind

46、irectly affects the user of the applications. This guideline treats middleware for the automa-tion technology as a software layer for linking components of an automation application, for ex-ample plants, machines, controllers, control sys-tems, or algorithms. Depending on the specific application, t

47、he middleware may run both on a simple field device such as a temperature sensor as well as on a powerful computer. In accordance with the varying requirements there are a variety of proprietary automation-specific middleware products and interfaces, for example ACPLT-KS 2, CORBA 3, DOME 4, FDT 5, L

48、abMap 6, MIMOSA OSA-EAI 7, as well as international standards such as DIN EN 62541 (OPC UA), DIN EN 61499, DIN EN 62264 or DIN EN 61850. 3.3 Aufgaben, Funktion und Vorteile von Middleware Um in verteilten Systemen ein einheitliches Zu-sammenspiel der Komponenten sicherzustellen, mssen bei allen Teil

49、nehmern gleiche Funktionen einheitlich umgesetzt werden. Aus dieser Abstrak-tion entstehen zwei unterschiedliche Blickwinkel. Aus der Sicht der Applikation ergibt sich eine teil-nehmerbergreifende, einfache und bersichtliche Anwendungslogik, die nur ber die Schnittstelle der Middleware programmiert wird. Die Applika-tion wird so unabhngig von der konkreten Imple-mentierung. Fr die Middleware ist es dabei zu-nchst unerheblich, ob sie auf dem Teilnehmer selbst