Beitrag zur Verhaltensanalyse und Synchronisation von steuerungstechnischen Prozessen durch verteilte echtzeitfähige Kommunikationssysteme

Aufbauend auf dem voranschreitenden Übergang zentralistischer Steuerungskonzepte über die Dezentralisierung hin zum verteilten System soll ein echtzeitfähiges Steuerungskonzept für die Antriebssynchronisation zur Patientenbewegung als lokal abgeschlossenes System erarbeitet werden. Dabei sollen Grundlagen echtzeitfähiger Steuerungstechnik, verteilter Systeme, der Prozesssynchronisation sowie entsprechende Kommunikationssysteme vorgestellt, bestehende Lösungen diskutiert und aus den Erkenntnissen entsprechende Konzeptvorschläge für die Lösung der Aufgabenstellung gemacht werden. Im zweiten Teil dieser Arbeit soll aus den gewonnen Erkenntnissen und dem voranschreitenden Erfordernis der weltweiten Vernetzung technischer Systeme ein Konzept für die Integration und den echtzeitfähigen Zugriff auf dezentrale Peripheriekomponenten in das Internet erarbeitet werden. Für beide Teilaufgaben sollen Lösungsschritte aufgezeigt und evaluiert werden. Eine kritische Betrachtung der vorgestellten Konzepte erfolgt auf Basis bereits erfolgter industrieller Anwendung sowie in der Vorstellung einer zum Patent angemeldeten Lösung für den webbasierten Zugriff auf dezentral angeordnete Steuerungskomponenten

Extension and optimisation of a communication platform for pc-based control systems

Die vorliegende Arbeit befasst sich mit der Erweiterung und Optimierung einer Kommunikationsplattform für offene PC-basierte Steuerungssysteme für Parallelkinematiken und leistet einen Beitrag dazu, den Umsetzungsaufwand von Steuerungsapplikationen selbst in einer verteilten Umgebung zu reduzieren und gleichzeitig die Performanz und Zuverlässigkeit des Steuerungssystems zu steigern. In Gegensatz zu Seriellen Robotern bestehen Parallelkinematiken aus einer geschlossenen kinematischen Kette, bei dem der Manipulator über mehrere Führungsglieder mit den fest am Gestell montierten Antrieben verbunden ist. Begünstigt durch diese mechanische Struktur resultiert für jeden Antrieb eine gering zu bewegenden Masse pro Verfahrbewegung. Dies wiederum führt dazu, dass im Vergleich zu seriellen Robotern höhere Arbeits¬geschwin¬dig¬keiten und -beschleunigungen bei höherer Genauigkeit und Steifigkeit gefahren werden können. Neben einer Erhöhung der Performanz des Steuerungssystems liefert diese Arbeit die architekturspezifische Grundlage für die Integration von rechenaufwendigen parallelroboterspezifischen Besonderheiten in den Steuerungspfad. Weiterhin schafft diese Arbeit eine Plattform für die Implementierung und Ausführung von echtzeitfähigen verteilten Steuerungsapplikationen. Dafür wird die Middleware so erweitert, dass sie Anwenderapplikationen eine transparente Nutzung von Kommunikations¬mechanismen im verteilten System gewährleistet. Eine optimale Nutzung der verteilten Ressourcen wird durch die Integration eines Self-Managers in die Steuerungssofware erreicht. In diesem Zusammenhang wird im Rahmen dieser Arbeit eine Monitoring-Komponente in die Middleware integriert, die topologische und zeitliche Informationen über die Ausführung von Tasks im verteilten System zur Laufzeit ermittelt und dem Anwender bereitstellt.The present work covers the expansion and optimization of a communication platform designed for the implementation of an open and computer-based control system for parallel kinematics. This work helps to reduce the implementation cost of control applications and increases at the same time the performance of the control system. Unlike serial robots, the mechanical structure of a parallel kinematics consists of a closed kinematic chain. The manipulator is connected over many links to the drives mounted on the rack. Favored by this mechanical structure each drive has a reduced mass to move and therefore higher velocities and accelerations are achievable. In addition to the performance increase of the control system this work provides the architectural fundament for the integration of computationally intensive and parallel kinematics specific features in the control system. Furthermore, the present work provides a platform for the implementation and execution of real-time distributed control applications in both multi-core processors and computer network. In this context, the middleware is extended so that it ensures user applications a transparent using of communication mechanisms in the distributed systems. To ensure optimal use of the resources available in the distributed system a self-manager is integrated into the control system. The self-manager responds independently and efficiently to changes occurring in the system topology as well as to changing demands on the control. It automatically adjusts the distribution of the control modules at runtime. In order to achieve this, a monitoring component is integrated in the middleware. It determines and provides topological and temporal information about the execution of tasks in the distributed system at runtime

Modellierung von Kommunikationssystemen zum Zweck der Systemanalyse und des Systementwurfs

Einen wesentlichen Beitrag zu Innovationen und Weiterentwicklungen in der Automobilindustrie leisten elektronische Komponenten. Der funktionale Wachstum in den Bereichen Sicherheit, Komfort und Fahrerassistenz führt zu einer Erhöhung der Komplexität. Neben der Anzahl der Komponenten steigert sich auch der Bedarf an Kooperation und Datenaustausch. Insbesondere by-wire- und Assistenzsysteme (Hochautomatisiertes Fahren) zeichnen sich durch hohe Anforderungen in den Bereichen Zuverlässigkeit, Datenkonsistenz, Fehlertoleranz und Ausfallsicherheit aus. Die Zusammenarbeit einzelner Steuergeräte fordert von der Kommunikationsstruktur neben hohen Datenraten auch Determinismus und Echtzeitverhalten. Die Entwicklung dieser komplexen verteilten Systeme profitiert durch modellbasierte Entwurfsprozesse. Der Nachweis von grundlegenden Systemeigenschaften mit dem Schwerpunkt Kommunikation soll bereits in frühen Entwurfsphasen mit Hilfe von ausführbaren Spezifikationen modell- und simulationsbasiert erfolgen. In dieser Arbeit wird ein Modellierungsansatz entworfen, welcher die typischen ereignis- und zeitgesteuerten Protokolle in der Domäne Automotive adressiert. Der Fokus liegt auf den Buszugriffsverfahren. Modelle auf unterschiedlichen Abstraktionsebenen werden am Beispiel von Controller Area Network (CAN) und FlexRay definiert und realisiert. Neben der reinen Kommunikation werden die angrenzenden Themenfelder Gateway (heterogene Kopplung) und Betriebssystem berücksichtigt. Detaillierte Modelle eignen sich zur Analyse spezifischer Protokolleigenschaften sowie zur Weiterentwicklung von Protokollfunktionen auf Modellebene. Mit abstrakteren Modellen lassen sich Leistungs- und Eigenschaftsanalysen von großen heterogenen Systemen durchführen. Echtzeitkommunikation, vernetzte Systeme und Anwendungsfelder für modellbasierte Entwurfsprozesse finden sich auch außerhalb des Automobilbereiches. Die Anwendung wird am Beispiel der Entwicklung und Optimierung eines komplexen verteilten Systems zur Steuerung einer Nanopositionier- und Nanomessmaschine demonstriert. Innerhalb des Entwicklungsprozesses werden Entwurf, Realisierung und Leistungsbewertung bezüglich der Architektur des Gesamtsystems, der Verteilung von Funktionen und der Realisierung einzelner Komponenten sowie applikationsspezifische Kommunikationsprotokolle betrachtet.Major innovations and improvements in the automotive industry base on the electronic components. The growing number of functionality in the areas safety, comfort and driver assistance lead to an increase of the complexity. Not only the number of components increase. Especially to realize complex assistance systems the cooperation and data exchange gets more important. In particular, by-wire and assistance systems (highly-automated driving) have high requirements on reliability, data consistency and safety. The cooperation of single control units to realize these complex functions require not only high data rates but also determinism and real-time behavior of the communication architecture. The development of these complex distributed systems benefits from model-based design processes. The verification and validation of system properties with a focus on communication should be possible in early design phases using model and simulation-based approaches based on executable specifications. In this thesis, a modeling approach is developed addressing the typical event-driven and time-triggered protocols in the automotive domain. Models on different abstraction levels are defined and implemented. The Controller Area Network (CAN) and FlexRay are used as examples. Beside the communication protocols some related topics: gateway-functionality (heterogeneous communication) and operating system. The developed detailed models are adequate for the analysis of specific protocol properties as well as the improvement of protocol functions on model level. More abstract models can be used to analyze the performance, real-time behavior and characteristics of large heterogeneous systems. Real-time communication, distributed embedded systems and model-based design processes are not limited to the automotive sector. Therefore the utilization of the modeling approach is demonstrated within the development and optimization of a distributed embedded system: a signal- and dataprocessing unit of a nanopositioning- and nanomeasuringmachine. The example covers most parts of the development process. Selected topics are the design of the system architecture, the distributed allocation of functionality, the realization of single components and the development of application specific communication protocols

Peer-to-Peer-Technologie in der Automatisierung

Peer-to-Peer (P2P)-Technologie hat sich seit ihrem ursprünglichen Einsatz für das Filesharing weiterentwickelt und Einzug in neue Einsatzgebiete erhalten. Die positiven Eigenschaften der P2P-Technologie sind die hohe Flexibilität, Skalierbarkeit und Ausfallsicherheit. Ob P2P-basierte Anwendungen auch für den Einsatz im Umfeld der industriellen Automatisierung sinnvoll sind, wurde in dieser Arbeit untersucht. Das im Laufe dieser Arbeit entstandene Verfahren HaRTKad mit seinem für das Umfeld neuen Netzwerkparadigma erfüllt diese Anforderungen, womit es sich in diesem Umfeld einsetzen lässt

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

Dynamische Rekonfigurationsmethodik für zuverlässige, echtzeitfähige Eingebettete Systeme in Automotive

Currently, dynamically reconfigurable systems are not used in automotive and there is no process model for their development. The focus of this dissertation is to explore methods and approaches for the development of such systems. One major architectural driver is autonomous driving, another is functional high integration on central computing platforms. Taking these into account, dynamic reconfiguration is classified and explored

Linked Enterprise Data als semantischer, integrierter Informationsraum für die industrielle Datenhaltung

Zunehmende Vernetzung und gesteigerte Flexibilität in Planungs- und Produktionsprozessen sind die notwendigen Antworten auf die gesteigerten Anforderungen an die Industrie in Bezug auf Agilität und Einführung von Mehrwertdiensten. Dafür ist eine stärkere Digitalisierung aller Prozesse und Vernetzung mit den Informationshaushalten von Partnern notwendig. Heutige Informationssysteme sind jedoch nicht in der Lage, die Anforderungen eines solchen integrierten, verteilten Informationsraums zu erfüllen. Ein vielversprechender Kandidat ist jedoch Linked Data, das aus dem Bereich des Semantic Web stammt. Aus diesem Ansatz wurde Linked Enterprise Data entwickelt, welches die Werkzeuge und Prozesse so erweitert, dass ein für die Industrie nutzbarer und flexibler Informationsraum entsteht. Kernkonzept dabei ist, dass die Informationen aus den Spezialwerkzeugen auf eine semantische Ebene gehoben, direkt auf Datenebene verknüpft und für Abfragen sicher bereitgestellt werden. Dazu kommt die Erfüllung industrieller Anforderungen durch die Bereitstellung des Revisionierungswerkzeugs R43ples, der Integration mit OPC UA über OPCUA2LD, der Anknüpfung an industrielle Systeme (z.B. an COMOS), einer Möglichkeit zur Modelltransformation mit SPARQL sowie feingranularen Informationsabsicherung eines SPARQL-Endpunkts.Increasing collaboration in production networks and increased flexibility in planning and production processes are responses to the increased demands on industry regarding agility and the introduction of value-added services. A solution is the digitalisation of all processes and a deeper connectivity to the information resources of partners. However, today’s information systems are not able to meet the requirements of such an integrated, distributed information space. A promising candidate is Linked Data, which comes from the Semantic Web area. Based on this approach, Linked Enterprise Data was developed, which expands the existing tools and processes. Thus, an information space can be created that is usable and flexible for the industry. The core idea is to raise information from legacy tools to a semantic level, link them directly on the data level even across organizational boundaries, and make them securely available for queries. This includes the fulfillment of industrial requirements by the provision of the revision tool R43ples, the integration with OPC UA via OPCUA2LD, the connection to industrial systems (for example to COMOS), a possibility for model transformation with SPARQL as well as fine granular information protection of a SPARQL endpoint