CPS Flashcards
Welche vier industriellen Revolutionen gibt es?
1.Mechanisierung 2. Elektrifizierung 3. Digitalisierung 4. Vernetzung/ Internet
Was ist ein Cyber-physisches System (CPS)?
und was ist IoT?
CPS sind Steuerungssysteme.
Zusammenschluss intelligenter, vernetzter Steuerungssysteme die aus Sensoren, Aktoren, Rechen- und Steuerungskomponenten bestehen
IoT (Internet of Things) sind CPS die sich auf das Internet ausdehnen
Beispiele für Cyber-physische Systeme:
Smart City
Smart Farming
Smart-Factory (Cyber-physisches Produktionssystem (CPPS) )
Smart-Home (Gebäudeautomation)
Intelligente Stromnetze
welche Kommunikationsverfahren benötigt die gleichzeitige horizontale und vertikale Vernetzung?
robuste Kommunikationsverfahren z.B.: Ethernet auch in der Prozessebene (Industrial Ethernet) (L2)
REST, MQTT, OPC UA zum sichern und standardisierten Datenaustausch
Bis wohin Reicht die Intelligenz? (bei CPS)
die Intelligenz wandert hinunter bis in die Feldebene
was ist CPS Hardware meistens?
Ein Spezieller Steuerungs-Rechner zur Daten- und Signalverarbeitung (Embedded Systems)
SPS/PLC und SBC ausgeschrieben:
und Beispiele:
Speicherprogrammierbare Steuerung, PLC (Programmable Logic Controller)
Single-Board Computer, Einplatinencomputer
Beispiel Produkte: Raspberry Pi, Arduino Uno, NodeMCU
Was ist ein Sensor und was ein Aktor?
Sensor: Messfühler für physikalische oder chemische Eigenschaften z.B. Temperatur, Feuchtigkeit, Helligkeit, Beschleunigung, GPS-Koordinaten
Aktor: Ein elektrisch steuerbares mechanisches Antriebselement
z.B. Relais (Schütz), Motor, Servo…
Was erzeugt und was benötigt analoge oder digitale Signale?
Sensoren erzeugen analoge oder digitale Signale
Aktoren benötigen analoge oder digitale Signale
welche Eigenschaften haben analoge- und digitale Signale?
analoge Signale haben einen stufenlosen und beliebig feinen Verlauf
digitale Signale können nur einzelne, fest vorgegebene Werte annehmen
(z.b. bei binären Signalen nur die Werte 0 oder 1)
als was werden Signale übertragen?
meist als elektrische Spannung
Was sind die verschiedenen Eigenschaften von einer Schnittstelle und einem Bus?
Schnittstelle:
zum Anschluss eines oder mehrerer Geräte z.B serielle Schnittstelle (RS-232)
Bus:
Schnittstelle zum Anschluss mehrerer Geräte,
Feldbus zum zuverlässigen übertragen von Daten in störanfälligen Umgebungen über große Distanz. (Ethernet, RS-485, CAN, KNX, AS-I, IO-Link, Profilbus,…)
Bus im Nahbereich: USB, SPI, 1-Wire…,)
(CPS) Layer 2 Protokolle. Nenne
Leitergebundene:
und
Drahtlose:
Leitergebunden: Ethernet, Modbus/RTU über RS-485
drahtlos: WLAN, Bluetooth/BLE, DECT, ZigBee, Z-Wave,
LPWAN (LTE, LoRaWAN, Sigfox, NB-IoT)
Nenne Layer 3/4/7- Protokolle:
IP, UDP, TCP, Modbus/TCP, HTTP, MQTT, REST, CoAP, PC UA
werden auch Middlware genannt
Nenne Netzwerk-Komponenten und was diese machen:
Bridge: Umsetzung zwischen unterschiedlichen L2-Protokollen (z.B. Hue-Bridge)
Switch: Zustellung auf L2 anhand der MAC-Adressen
Router: (IoT-Gateway): Zustellung auf L3 anhand der IP-Adressen
Firewall: Filterung über Regeln (MAC, IP, Port, Anwendung, …)
Netzwerksicherheit in Industriellen Steuerungsnetzen (Industrial Control System, ICS)
Nenne Organisatorische Sicherheitsmaßnahmen
und
technische Sicherheitsmaßnahmen
organisatorische Sicherheitsmaßnahmen
- Informations-Sicherheits-Beauftragten für ICS bestimmen (ICS-ISB)
- Schutzbedarfsanalyse
- Risikobewertung
technische Sicherheitsmaßnahmen
- Netze über VLANs trennen
- Network Access Control (NAC)
- Datenverkehr filtern und verschlüsseln
- Firewall (IoT-Secure-Gateway) und
- VPN einsetzen
häufig verwendete Programmiersprachen?
wesentliche Strukturen?
Datentypen?
C, C++, Python, JavaScript, Shell-Skripte
Variablen, Typen, Arrays, Bedingungen, Schleifen, …
bool, char, string, int, long, float, …
SPS:
nenne spezielle Text- und Grafische Programmiersprachen und -Methoden
- Textsprachen:
AWL (Anweisungsliste, Instruction List, IL)
Strukturierter Text (ST, SCL) - grafische Sprachen:
FUP/FBS (Funktionsbausteinsprache), GRAFCET
KOP (Kontaktplan)
worüber werden die Programme realisiert?
und Beispiele
Realisierung über
- Entwicklungsumgebungen (integrated development environment, IDE)
z.B.:
Arduino-IDE
Online-IDE
Simulatoren: Arduino, WOKWI
- grafische Entwicklungswerkzeuge (oft herstellerspezifisch) (benutzen richtige Versager)
z.B.:
Node-RED
CODESYS
TIA-Portal
Eigenschaften von IoT-Plattformen
- meist cloud-basiert
- ermöglichen eine einfache Vernetzung von IoT-Geräten und
Anwendungsprogrammen - Daten-Auswertung
- Reaktionen auf Ereignisse
- Visualisierung
z.B: ThingWorx, AWS IoT Core,
ThingsBoard, openHAB, Blynk
was bedeuten folgende Begriffe:
M2M
SCADA
ICS
OT
OPC uA
HMI
ERP,MES,Office-Floor,Shop-Floor (Feldebene)
Machine-to-Machine Kommunikation:
automatisierter Informationsaustausch zwischen Endgeräten (Maschinen,
Fahrzeuge) untereinander oder mit einer zentralen Leitstelle
Supervisory Control and Data Acquisition
Überwachen und Steuern technischer Prozesse durch Computer-Systeme
Industrial Control Systems
Operational technology:
Operational technology is hardware and software that detects or causes a
change, through the direct monitoring and/or control of industrial equipment, assets, processes and events, z.B. ICS, PLC, SCADA
Open Platform Communications Unified Architecture
Standard für den plattformunabhängigen Austausch von Maschinendaten
human-machine interface
manchmal auch nur ein schönes Wort für ein großes (Touch-)Display
ERP, MES, Office-Floor, Shop-Floor (=Feldebene)
MQTT ausgeschrieben?
was ist MQTT?
wo wird es verwendet?
welche Ports verwendet es?
Message Queuing Telemetry Transport
einfache und robuste Nachrichtenübertragung zwischen Geräten
häufig bei CPS/IoT und bei Machine-to-Machine Kommunikation (M2M)
TCP, 1883 und 8883
wie werden folgende MQTT Begriffe noch genannt:
MQTT-Server
MQTT-Client
Topics
MQTT-Server (Broker)
MQTT-Clients sind Datenproduzenten (Publisher) oder Datennutzer (Subscriber)
Topics: (Thema, Betreff) zur Organisation der Nachricht (ich glaube damit sind die Pfeile gemeint in der Darstellung Folie 28 CPS)case Sensitive (KA was das bedeutet)
Node-RED was ist das?
wie Benutzt man es?
was ist das Baukastenprinzip?
Knotenpunkte?
Dashboard wie und was?
eine grafische Entwicklungsumgebung (Loser)
Benutzung im Browser ://http://IPAdresse:1880
Funktionsbausteine (Knoten, Nodes) werden
zu Abläufen (Flows) verbunden
- Eingabeknoten
- Verarbeitungsknoten
- Ausgabeknoten
einige Ausgabeknoten zur Messwert-Visualisierung
Ansicht im Browser: http://IPAdresse:1880/ui
Single-Board Computer (SBC) auch Einplatinencomputer SoC (System-on-Chip)
was ist alles auf seiner Leiterplatte?
Vorteile und Nachteile?
wozu kann es Eingesetzt werden?
beherbergt alle notwendigen Funktionseinheiten auf einer Leiterplatte:
- Microcontroller (CPU + viele Schnittstellen nach außen, auch System-on-a-
Chip)
- RAM
- Firmware
- Flash-Speicher
- viele Schnittstellen
Vorteile:
- klein und sparsam
- einfach zu programmieren
- ermöglichen Rapid Prototyping
Nachteile:
- relativ geringe CPU-Leistung
Einsatz:
als Mess- und Steuerungssystem
als Entwicklungs- und Lehrsystem
Programmierung von SBCs
Welche Programmiersprachen?
warum auch gut für Anfänger?
meist Cross-Compiling, aber was ist das?
C, C++, Phython, JavaScript,
grafische Programmier-Umgebungen
- editieren des Quellcodes auf dem PC
- compilieren des Programms auf dem PC
- hochladen des binären Programms über USB auf den SBC
- Steuerung und Debugging vom PC aus über USB
SPS /PLC
optimiert für?
typische Hardware:
IEC 61131-3 spezifiziert 5 Sprachen zur Programmierung von
Steuerungssystemen:
optimiert für industrielle Automatisierung und Steuerung
kann auch Messwertverarbeitung und Regelung
CPU, Speicher, Prozess-E/A und
Kommunikationsschnittstellen, jedoch keine großen Massenspeicher
IL (Instruction List), LD (Ladder Diagram), FDB (Function Block Diagram), SFC (Sequential Function Chart), ST (Structured Text)
Elektrostatische Entladung (ESD)
was ist das?
was muss man beachten?
und Schutz wie?
Spannungsdurchschläge, die durch große Potentialunterschiede entstehen
ESD kann elektrische Komponenten schädigen
fast alle elektronischen Bauelemente
sind ESD-empfindlich!
Schutz vor ESD
- Aufladung vermeiden, z.B. durch Ableiten und Erdung
- schnelles Entladen vermeiden, z.B. vorhandene elektrische Ladungen langsam
über einen großen elektrischen Widerstand abfließen lassen
