Kopplung von PROFIBUS-Systemen über ATM

Die rechnergestützte Automatisierung von Produktionsprozessen hält zunehmend Einzug in Fabrikhallen. Dabei übernehmen untereinander vernetzte Komponenten Steuerungs- und Überwachungsaufgaben. Hõufig sind an das gesamte System, den Feldbus, Echtzeitanforderungen gestellt. Typischerweise ist die maximale Ausdehnung von Feldbussen auf wenige Hundert Meter beschränkt. Gerade in größeren Installationen führt dies zur Entstehung von Feldbus-Inseln, welches einen erhöhten Aufwand für Installation und Wartung nach sich zieht. Daraus leitet sich die Zielstellung der Arbeit ab, derartige Feldbusinseln unter Beibehaltung der Echtzeitfähigkeit des Datenaustauschs über ein Backbone-Netz zu verbinden. Unter der genannten Prämisse wurden zwei Modelle zur Kopplung von PROFIBUS-Segmenten über ATM entworfen. In beiden werden zur Verbindung Brücken eingesetzt, deren grundlegende Funktionalität mit der klassische Brücken vergleichbar ist. Auf der Basis des ersten Modells wird die transparente Zusammenschaltung mehrerer PROFIBUS-Segmente erreicht. Signifikantes Merkmal der Kopplungsvariante ist die systemweite Existenz nur eines Tokens. Mit diesem Ansatz wird in erster Linie eine Ausdehnungsverlängerung des PROFIBUS erreicht. Dem zweiten Modell liegt die Verbindung von unabhängig arbeitenden Segmenten mit jeweils einem Token zugrunde. Hauptcharakteristik hierbei ist die Lasttrennung durch die Filterfunktion der Brücken. Für beide Modelle werden Dienstqualitätsaspekte detailliert untersucht.In recent years, an increasing demand for automated support of production processes could be observed. A seperate group of communication systems - field-buses are especially designed as communication infrastructure. One of the most important characteristics of field buses is their ability to provide real-time data transfer of short data units. Typically such a field bus can only cover an area of a production hall, e.g. a maximum of several hundred meters. This leads especially in larger installations to field bus islands with no communication link between them However, interconnection an interworking of geographically distributed field-buses is desirable in order to ease configuration and diagnostics and the complete management task for such purposes. This work is dedicated to the development of two concepts in order to interconnect PROFIBUS segments through an ATM network using bridges as interworking units. The first concept concerns about PROFIBUS to cover longer distances by interconnecting physically distributed segments which share a single token. The second concept is intended to interconnect multiple independently operating PROFIBUSes, each circulating its own token. The main aspects of this approach are load sharing and enabling a centralized management

Konzepte für die Kommunikation zwischen Automatisierungsgeräten

In der Leittechnik hat man sich zunehmend damit auseinanderzusetzen, daß die Automatisierungssysteme immer größer und komplexer werden. Es ist in einer großen technischen Anlage sowohl technisch als auch wirtschaftlich nicht mehr zufriedenstellend, alle Komponente der Anlage zentral zu verwalten. Dies führt zu einer Dezentralisierung von Automatisierungslösungen. Die Folge ist, daß moderne Engineering-Werkzeuge geräteübergreifend agieren müssen. Dabei spielt die Kommunikation zwischen den Automatisierungsgeräten eine wesentliche Rolle. In der vorliegenden Arbeit wurden Kommunikationskonzepte unter Berücksichtigung spezifischer Anforderungen und Merkmale in der Kommunikationswelt der Zellenebene hergeleitet, in Prototypen realisiert, getestet und bewertet. Die explizite Methode der Kommunikation zwischen Automatisierungsgeräten realisiert die geräteübergreifende Verschaltung durch Einführung von externen Kommunikationsbausteinen. Mit dem Model der blockorientierten Übertragung ist die Möglichkeit gegeben, eine geräteübergreifende Verbindung durch einfache Verschaltung der technologischen Bausteine innerhalb eines Planes zu projektieren. Und es ist möglich, den Prozeß im laufenden Betrieb zu überwachen und die Ursache von Fehlern und Störungen im laufenden Betrieb zu erkennen. Mit der Ersatzwerte- oder einer Defaultwertstrategie wird ein sicherer Betrieb gewährleistet, falls Probleme bei der Kommunikation auftauchen. Durch die Auswertung der Fehlerausgänge des Kommunikationsbausteins wird ein Kommunikationsfehler erkannt und kann vom Anwender behandelt werden. Zur Verringerung der Busbelastung wird beim IK-Modell der Fetch-Mechanismus eingeführt, der eine ereignisgesteuerte Übertragung ermöglicht. Die angestrebte Dezentralisierung der Information wird durch Einführung von Referenztabelle und Stacks realisiert. Dabei läuft nach dem Laden auf ein Automatisierungssystem ein Informationsabgleich per Sondertelegramm automatisch ab. Somit kann ein neuerliches Laden beim Kommunikationspartner vermieden werden. Das "routingfähige" Automatisierungssystem erleichtert die Verbindungsprojektierung und reduziert den Verbrauch der Verbindungsressourcen. Eine ständige Zustandskontrolle der Verbindung bzw. des Netzelementes wird hier durchgeführt

Realisierung eines optimierten Feldbussystems und Modellierung mit Petrinetzen

Eine unüberschaubare Anzahl von Feldbussystemen wird derzeit in der industriellen Automatisierungstechnik eingesetzt und drängt verstärkt in neue Anwendungsfelder wie Gebäude- und Fahrzeugautomatisierung. Haupthindernis für eine schnelle Verbreitung sind hohe Kosten, die aus der Komplexität und Vielfalt der Systeme entstehen. Die Arbeit stellt methodische Grundlagen der strukturierten Systementwicklung vor und führt in die Nutzung von Petrinetzen als Beschreibungsmittel ein. Neben der Softwaremodellierung wird dabei der Zusammenhang zwischen struktureller- und Verhaltensmodellierung dargestellt. Nach Betrachtung der Übertragungstechniken im Feldbereich werden Zugriffsstrategien mit Petrinetzen modelliert und marktübliche Systeme verglichen. Eine Definition von Zielen und Anforderungen zeigt anschließend den Weg zu einem optimierten Feldbussystem auf. Zu diesem Zweck wird ein System entworfen, welches jedem Interessenten ein einfaches aber effektives und universelles System großer räumlicher Ausdehnung unter Nutzung preiswerter, robuster Bauteile und Übertragungsmedien bereit stellt. Die Softwarestrukturen werden mit Hilfe von Petrinetzen modelliert und insbesondere die Möglichkeiten der Nutzung eines Petrinetztools zur Dokumentation sowie einer zukünftigen direkten Codegenerierung für ressourcenoptimierte Mikrocontrollersysteme aufgezeigt. Abschließend wird eine Validation anhand der Realisierung des optimierten Feldbussystems mit Messungen am realen System durchgeführt.An immense number of field bus systems is currently used in industrial automation and is expanding more and more into new application fields as facility management and vehicle automation. Main obstacle for a fast spreading are high costs, which result from the complexity and variety of the systems. The thesis describes methodical foundation of the structured system development and introduces to the use of Petrinets as description technique. Apart from the software modelling also the interrelation between structural and behavioural modelling is presented. After a closer examination of the transmission techniques within the field range, medium access strategies are modelled with Petrinets and usual market systems are compared. A definition of goals and requirements shows afterwards the way to an optimised field bus system. For this purpose a system is designed, which makes available a simple however effective and universal system of large spatial expansion to each prospective under use of inexpensive, durable components and transmitting media. The software structures are modelled with Petrinets. In particular the possibilities of the use of a Petrinet tool for the documentation as well as a future direct generation of program code for resource optimised microcontroller systems are presented. Finally the realisation of the optimised field bus system is validated with measurements of the material system

Modellgestützter Entwurf von Feldgeräteapplikationen

Die Entwicklung von Feldgeräten ist ein äußerst komplexer Vorgang, welcher auf vielen Vorrausetzungen aufsetzt, diverse Anforderungen und Randbedingungen mitbringt und bisher wenig beachtet und veröffentlicht wurde. Angesichts der fortschreitenden Digitalisierung drängen immer mehr Anbieter auf den Automatisierungsmarkt. So sind aktuell zunehmend Technologien und Ansätze aus dem Umfeld des Internet of Things im Automatisierungsbereich zu finden. Diese Ansätze reichen von Sensoren ohne die in der Industrie üblichen Beschreibungen bis hin zu Marktplätzen, auf denen Integratoren und Anwender Softwareteile für Anlagen kaufen können. Für die neuen Anbieter, die häufig nicht aus dem klassischen Automatisierungsgeschäft kommen, sind die bisher bestehenden Modelle, Funktionalitäten, Profile und Beschreibungsmittel nicht immer leicht zu verwenden. So entstehen disruptive Lösungen auf Basis neu definierter Spezifikationen und Modelle. Trotz dieser Disruptivität sollte es das Ziel sein, die bewährten Automatisierungsfunktionen nicht neu zu erfinden, sondern diese effektiv und effizient in Abhängigkeit der Anforderungen auf unterschiedlichen Plattformen zu verwenden. Dies schließt ihre flexible Verteilung auf heterogene vernetzte Ressourcen explizit ein. Dabei können die Plattformen sowohl klassische Feldgeräte und Steuerungen sein, als auch normale Desktop-PCs und IoT-Knoten. Ziel dieser Arbeit ist es, eine Werkzeugkette für den modellbasierten Entwurf von Feldgeräteapplikationen auf Basis von Profilen und damit für den erweiterten Entwurf von verteilten Anlagenapplikationen zu entwickeln. Dabei müssen die verschiedenen Beschreibungsmöglichkeiten evaluiert werden, um diese mit detaillierten Parameter- und Prozessdatenbeschreibungen zu erweitern. Außerdem sollen modulare Konzepte genutzt und Vorbereitungen für die Verwendung von Semantik im Entwurfsprozess getroffen werden. In Bezug auf den Geräteengineeringprozess soll der Anteil des automatisierten Geräteengineerings erweitert werden. Dies soll zu einer Flexibilisierung der Geräteentwicklung führen, in der die Verschaltung der funktionalen Elemente beim Endkunden erfolgt. Auch das Deployment von eigenen funktionalen Elementen auf die Geräte der Hersteller soll durch den Endkunden möglich werden. Dabei wird auch eine automatisierte Erstellung von Gerätebeschreibungen benötigt. Alle diese Erweiterungen ermöglichen dann den letzten großen Schritt zu einer verteilten Applikation über heterogene Infrastrukturen. Dabei sind die funktionalen Elemente nicht nur durch die Gerätehersteller verteilbar, sondern diese können auch auf verschiedenen Plattformen unterschiedlicher Gerätehersteller verwendet werden. Damit einher geht die für aktuelle Entwicklungen wie Industrie 4.0 benötigte geräteunabhängige Definition von Funktionalität. Alle im Engineering entstandenen Informationen können dabei auf den unterschiedlichen Ebenen der Automatisierungspyramide und während des Lebenszyklus weiterverwendet werden. Eine Integration diverser Gerätefamilien außerhalb der Automatisierungstechnik wie z. B. IoT-Geräte und IT-Geräte ist damit vorstellbar. Nach einer Analyse der relevanten Techniken, Technologien, Konzepte, Methoden und Spezifikationen wurde eine Werkzeugkette für den modellgestützten Entwurf von Feldgeräten entwickelt und die benötigten Werkzeugteile und Erweiterungen an bestehenden Beschreibungen diskutiert. Dies Konzept wurde dann auf den verteilten Entwurf auf heterogener Hardware und heterogenen Plattformen erweitert, bevor beide Konzepte prototypisch umgesetzt und evaluiert wurden. Die Evaluation erfolgt an einem zweigeteilten Szenario aus der Sicht eines Geräteherstellers und eines Integrators. Die entwickelte Lösung integriert Ansätze aus dem Kontext von Industrie 4.0 und IoT. Sie trägt zu einer vereinfachten und effizienteren Automatisierung des Engineerings bei. Dabei können Profile als Baukasten für die Funktionalität der Feldgeräte und Anlagenapplikationen verwendet werden. Bestehende Beschränkungen im Engineering werden somit abgeschwächt, so dass eine Verteilung der Funktionalität auf heterogene Hardware und heterogene Plattformen möglich wird und damit zur Flexibilisierung der Automatisierungssysteme beiträgt.The development of field devices is a very complex procedure. Many preconditions need to be met. Various requirements and constrains need to be addressed. Beside this, there are only a few publications on this topic. Due to the ongoing digitalization, more and more solution providers are entering the market of the industrial automation. Technologies and approaches from the context of the Internet of Things are being used more and more in the automation domain. These approaches range from sensors without the typical descriptions from industry up to marketplaces where integrators and users can buy software components for plants. For new suppliers, who often do not come from the classical automation business, the already existing models, functionalities, profiles, and descriptions are not always easy to use. This results in disruptive solutions based on newly defined specifications and models. Despite this disruptiveness, the aim should be to prevent reinventing the proven automation functions, and to use them effectively, and efficiently on different platforms depending on the requirements. This explicitly includes the flexible distribution of the automation functions to heterogeneous networked resources. The platforms can be classical field devices and controllers, as well as normal desktop PCs and IoT nodes. The aim of this thesis is to develop a toolchain for the model-based design of field device applications based on profiles, and thus also suitable for the extended design of distributed plant applications. Therefore, different description methods are evaluated in order to enrich them with detailed descriptions of parameters and process data. Furthermore, c oncepts of modularity will also be used and preparations will be made for the use of semantics in the design process. With regard to the device engineering process, the share of automated device engineering will be increased. This leads to a flexibilisation of the device development, allowing the customer to perform the networking of the functional elements by himself. The customer should also be able to deploy his own functional elements to the manufacturers' devices. This requires an automated creation of device descriptions. Finally, all these extensions will enable a major step towards using a distributed application over heterogeneous infrastructures. Thus, the functional elements can not only be distributed by equipment manufacturers, but also be distributed on different platforms of different equipment manufacturers. This is accompanied by the device-independent definition of functionality required for current developments such as Industry 4.0. All information created during engineering can be used at different levels of the automation pyramid and throughout the life cycle. An integration of various device families from outside of Automation Technology, such as IoT devices and IT devices, is thus conceivable. After an analysis of the relevant techniques, technologies, concepts, methods, and specifications a toolchain for the model-based design of field devices was developed and the required tool parts, and extensions to existing descriptions were discussed. This concept was then extended to the distributed design on heterogeneous hardware and heterogeneous platforms. Finally, both concepts were prototypically implemented and evaluated. The evaluation is based on a two-part scenario from both the perspective of a device manufacturer, and the one of an integrator. The developed solution integrates approaches from the context of Industry 4.0 and IoT. It contributes to a simplified, and more efficient automation of engineering. Within this context, profiles can be used as building blocks for the functionality of field devices, and plant applications. Existing limitations in engineering are thus reduced, so that a distribution of functionality across heterogeneous hardware and heterogeneous platforms becomes possible and contributing to the flexibility of automation systems

Entwicklung eines digitalen Datenmodells für die Teilereinigung am Beispiel einer Kompaktreinigungsanlage

Um eine nachhaltige industrielle Wettbewerbsfähigkeit zu erzielen, ist es für Produktionsfirmen unumgänglich, die internen Prozesse fortwährend zu analysieren und zu optimieren. Mit dem Aufkommen der Industrie 4.0 wird das Konzept der maschinen- und herstellerübergreifenden Produktion geprägt. Maschinen können daher nicht nur als „Stand-Alone“-System automatisiert werden, sondern müssen sich in das Gesamtsystem eingliedern lassen, damit eine Kommunikation zwischen den einzelnen Prozessgliedern möglich ist. Um dies bewältigen zu können, ist es notwendig, dass Maschinen verschiedener Hersteller untereinander und mit anderen Kommunikationspartnern in anderen Steuerungsebenen hierarchiefrei interagieren können. Durch eine Standardisierung der Kommunikationsschnittstelle können sich die Anlagen in ein firmenweites Anlagensystem eingliedern und damit die Flexibilität des Produktionsprozesses steigern. In dieser Arbeit wurde ein Konzept eines branchenweiten Standards geschaffen, mit dem die Kommunikation industrieller Bauteilreinigungsanlagen herstellerunabhängig, betriebssystem- und anlagenübergreifend standardisiert wird. Dazu kommt der für die Industrie 4.0 etablierte Standard OPC UA zum Einsatz, der durch semantische Verknüpfung Zusammenhänge auch für Maschinen lesbar beschreiben kann. Dafür wurden die verschiedenen in der industriellen Bauteilreinigung genutzten Reinigungsverfahren und Anlagentypen abstrahiert und in einem gemeinsamen universellen Datenmodell abgebildet

Control Network Performance Engineering: Qualitätsorientierter Entwurf von CSMA-Netzwerken der Automation

Beim Entwurf großer Netzwerke der Automation ermöglichen Methoden der Leistungsbewertung den Test und die Dimensionierung eines Netzwerkes bereits vor der Inbetriebnahme und erlauben damit einen effizienten, qualitätsorientierten Entwurf. Es ist jedoch sehr wissensintensiv und aufwendig, entsprechende Analyse- oder Simulations-Modelle aufzustellen und die Ergebnisse auszuwerten, weshalb die Methoden in der Praxis der Automation selten verwendet werden. Viel vertrauter sind dem Entwerfer hingegen die speziellen Software-Tools, mit denen in der Automation Netzwerke entworfen werden. Auf Basis der Datenbanken dieser Tools werden in dieser Arbeit verschieden Verfahren zur automatischen Systemmodellierung, Verkehrsmodellierung, Leistungsbewertung und Fehlerdiagnose zu einem Control Network Performance Engineering kombiniert, welches die Qualitätsbewertung und -beratung nahtlos und ohne Mehraufwand in den Netzwerkentwurf integriert. (Die Dissertation wurde veröffentlicht im Jörg Vogt Verlag, Voglerstr. 20, 01277 Dresden, Internet: http://www.vogtverlag.de/, email: [email protected], ISBN 978-3-938860-10-6)During the design of large automation networks, performance analysis methods can be used for testing and dimensioning the network before implementation and are essential for an efficient and reliable design process. However, setting up the necessary analytical or simulative models is time-consuming, requires in-depth knowledge, and is therefore often not applicable in practice. The network designers are much more used to the design tools used to develop automation networks. Based on these tools' databases various methods for automated system and traffic modeling, performance analysis and diagnoses are combined in the control network performance engineering that seamlessly integrates quality analysis and consulting into network design without requiring additional effort. (This manuscript is also available - in the form of a book - from Jörg Vogt Verlag, Voglerstr. 20, 01277 Dresden, Germany world-wide web address: http://www.vogtverlag.de/, electronic-mail address: [email protected], ISBN 978-3-938860-10-6

Entwurf und Realisierung von komplexen intelligenten Steuerungssystemen

Summary of the Dissertation Subject: "Design and implementation of complex and intelligent control systems" presented by: Dipl.-Ing. Hartmut Wächter Since decentralized event- or objectoriented automation technology could be rarely found in the first half of the 90s, a way to implement complex intelligent automation systems as it was approached especially by "Wächter Engineering Consultants" is presented in this work. The automation system, MKS16 (modular communicative control with 16-bit ?C) designed by the author with the GRIPS design system (graphic interactive planning system) is a solution which is superior in the modular variety of many PLC systems and is ideally suitable for field bus systems and remote control technology. The software solution GRIPS is a very simple design system for process technologists. It comprises intelligent functions such as fuzzy logic and neural networks and allows the crea- tion of new special functions for further developments and project adaptation. Extensive functions can be integrated in projects as C-constructs. The field bus comparison highlights the particular suitability of the LON (local operating net- work) for distributed intelligent systems with project orientation through the standardization of layer 7 of the ISO/OSI layer model. The LONWORKS? technology as well as the MKS16 system are very good for combining devices with totally different tasks, construction and scope of functions. Based on the observations of the Ethernet with TCP/IP, project compatibility and wireless automation systems, some applications implemented with the MKS16 system and LON- WORKS are described. The main emphasis of these projects are remote control solutions with low-cost visualizations (E-control) and intelligent distributed controls with fuzzy logic for environment-technical, biomechatronic devices and systems. In the last demo project a com- plex, inter-trade, house-technical implementation for a school sports hall is illustrated, which represents a successful solution in the combination of a locking system with lighting and heat- ing systems for energy saving. The technical basis is made up of LONWORKS and a visualiza- tion for Facility Management.Da Automatisierungstechnik mit dezentralen ereignisgesteuerten Funktionsprinzipien und Objektorientierung in der ersten Hälfte der 90er Jahre selten zu finden war, stellt die vorliegende Arbeit einen Weg zur Realisierung komplexer intelligenter Automatisierungssysteme vor, wie er speziell im Ingenieurbüro Wächter gegangen wurde. Das vom Autor konzipierte Automatisierungssystem MKS16 (Modulare Kommunikative Steuerung mit 16-Bit-?C) mit dem Entwurfssystem GRIPS (Grafisches interaktives Projektiersystem) ist eine Lösung, die sich in der modularen Vielfalt von vielen SPS-Systemen abhebt und auch für Feldbussysteme und Fernwirktechnik bestens geeignet ist. Die Softwarelösung GRIPS ist ein sehr einfaches Entwurfssystem für Prozesstechnologen. Es beinhaltet bereits intelligente Funktionen wie Fuzzy-Logic und Neuronale Netze, ermöglicht aber auch die Kreation von neuen speziellen Funktionen für die kontinuierliche Weiterentwicklung und Projektanpassung. Man kann auch beliebige C-Konstrukte als umfangreichere Funktionen in Projekte einfügen. Der Feldbusvergleich stellt die besondere Eignung des LON (local operating network) für dezentrale intelligente Systeme mit Projektorientierung durch die Normung der Schicht 7 des ISO/OSI-Schichtenmodells heraus. Die LONWORKS?-Technologie eignet sich genau wie das MKS16-System besonders gut zum Zusammenführen von Geräten mit völlig unterschiedlichen Aufgaben, Ausstattungen und Funktionsumfang. Nach einigen Betrachtungen zu Ethernet mit TCP/IP, Projektkompatibilität und kabellosen Automatisierungssystemen werden einige realisierte Anwendungen mit dem MKS16-System und LONWORKS beschrieben. Schwerpunkte dieser Projekte sind Fernwirklösungen mit preisgünstigen Visualisierungen (E-Control) und intelligente dezentrale Steuerungen mit Fuzzy- Logik für umwelttechnische biomechatronische Geräte und Anlagen. Im letzten Beispielprojekt ist eine komplexe, gewerkeübergreifende, haustechnische Realisierung für eine Schulsporthalle aufgezeigt, die eine gelungene Lösung in der Kombination von einem Schließsystem mit Beleuchtungs- und Heizungsanlagen zur Energieeinsparung darstellt. Die technische Basis bildet LONWORKS und eine Visualisierung für Fassility-Management

Deterministische und interoperable Kommunikation mit dem Constrained Application Protocol

In dieser Arbeit wird untersucht, inwieweit sich Echtzeitanforderungen in der Kommunikation mit einer rein Software-basierten Lösung auf Basis etablierter IoT-Standards unter Verwendung von Standardhardware erfüllen lassen. Hierzu wird schrittweise gezeigt, wie sich eine zeitlich deterministische Kommunikation allein auf Basis des Constrained Application Protocols (CoAP) erreichen lässt. Die Wirksamkeit der erarbeiteten Mechanismen wird mit verschiedenen Experimenten belegt. Abschließend wird aus den beschriebenen Mechanismen eine eigene Standarderweiterung für CoAP abgeleitet