Fieldbus technology in industrial automation

http://ieeexplore.ieee.org/Fieldbus technology in industrial automation is not only relatively complex because of the number of solutions possible, but also, and above all, because of the variety of applications. Ironically, these in turn are responsible for the multitude of solutions available. If the analysis of the basic needs is relatively standard, as they will always involve connecting sensors, actuators, and field controllers with each other, the options in architecture are numerous and can impose the need for certain services. The required performances themselves and the quality of service expected fundamentally depend on the applications. This article traces this technology from its beginnings, which go back to the first industrial networks in the 1970's. The principal stages of development are recounted, from the initial requirement specifications to the current state of international standardization. The diverse technical solutions are then analyzed and classified. In particular, we study the temporal aspects, the medium access control protocols and application relationships

Durchführbarkeitsanalyse und Validierung eines Feldbussystems mit einer großen Anzahl an Busteilnehmern mit formalen Methoden

The complexity of large scale fieldbus systems is two-fold: message-sending concurrency and emergent bus behavior. On the one hand, an increase in the number of accumulating nodes within one fieldbus system expands its message-sending concurrency; on the other hand, the growth of emergent bus behavior causes a temporary or lasting message burst on the fieldbus channel. The message sequences in turn have an increased burst behavior, aggravating the traffic density. Therefore, this dissertation evaluates the performability of large scale fieldbus systems by presenting a busload validation procedure by formal methods. The model concept is conceptualized and formulated by UMLCD and OSI Model. Furthermore, the validation procedure is formalized and structurally specified by applying the attribute hierarchy and BMW principle. Based on sorting the message-sending occurrences from the log data of a real fieldbus-based building automation system, the validation procedure is thus quantified with the real system timed-parameters. In addition, the stochastic distributions of message transmissions are determined by the goodness of fit method. The entire work is based on DSPN as formal means of descriptions and models. The corresponding Petri net communication model is hierarchically constructed, which has been further parameterized, integrated and simulated. The analysis of system complexity is provided by the programming-based extension of the Petri net communication model. In addition, the results of Monte-Carlo-Simulation have been sorted, analyzed and evaluated regarding the validation aspects of system performability. Finally, the emergent message burst generated from the function interrelations has also been observed and evaluated. The result of this work will make a formal contribution to the improvement the fieldbus specification.Insbesondere für Feldbussysteme mit einer großen Anzahl an Busteilnehmern wird die Komplexität über zwei Kenngrößen charakterisiert. Einerseits stellt die Erhöhung der Anzahl akkumulierter Feldbusknoten innerhalb eines Feldbussystems eine gestiegene Message-Sendung-Nebenläufigkeit dar. Andererseits steigt diese auch durch Zuwachs des emergenten Busverhaltens, die temporäre oder dauerhafte Nachrichtenfolgen mit sich führen. Die Nachrichtenfolgen wiederum können ein erhöhtes Burst-Verhalten auf dem Feldbus-Kanal, d.h. eine erhöhte Busauslastung verursachen. Ziel der vorliegenden Arbeit ist es, ein komplexes Feldbussystem formal zu beschreiben und ein formales Buslastvalidierungsverfahren darzustellen. Das Modellkonzept wird zunächst durch das UMLCD und das OSI-Modell formuliert, und anschließend wird das Validierungsverfahren mit der Attributhierarchie und dem BMW-Prinzip formalisiert und spezifiziert. Aufgrund der Sortierung des Sendungsverhaltens mittels Logdaten eines realen Feldbus-basierten Gebäudeautomationssystems, wird das Validierungsverfahren durch die quantitative Analyse weitergeführt. Zusätzlich werden die stochastischen Verteilungen der Sendungsverhaltene durch die Goodness-of-Fit Methode angepasst. Die gesamte Arbeit basiert auf DSPN als formales Beschreibungsmittel und Modellierungsmittel. Das entsprechende Petrinetz-Kommunikationsmodell wird vorgestellt, welches hierarchisch konstruiert, parametriert und simuliert wurde. Die Systemkomplexität wird mit Hilfe der Programmierung-basierten Erweiterung des Petrinetz-Kommunikationsmodells analysiert. Dazu werden die Monte-Carlo-Simulationsergebnisse dieses erweiterten Modells vorgestellt, analysiert und bewertet und in Bezug zu den Validierungsaspekten der Systemleistung gesetzt. Schließlich wird das erzeugte Nachrichten-Burst-Verhalten von den Funktionsverknüpfungen beobachtet und bewertet. Die Ergebnisse werden von dieser Arbeit nach der Vervollständigung der formalen Feldbusspezifikation zurückgeführt und verbessert

Plug-and-Participate for Limited Devices in the Field of Industrial Automation

Ausgangspunkt und gleichzeitig Motivation dieser Arbeit ist die heutige Marktsituation: Starke Kundenbedürfnisse nach individuellen Gütern stehen oftmals eher auf Massenproduktion ausgerichteten Planungs- und Automatisierungssystemen gegenüber - die Befriedigung individueller Kundenbedürfnisse setzt aber Flexibilität und Anpassungsfähigkeit voraus. Ziel dieser Arbeit ist es daher, einen Beitrag zu leisten, der es Unternehmen ermöglichen soll, auf diese individuellen Bedürfnisse flexibel reagieren zu können. Hierbei kann es im Rahmen der Dissertation natürlich nicht um eine Revolutionierung der gesamten Automatisierungs- und Planungslandschaft gehen; vielmehr ist die Lösung, die der Autor der Arbeit präsentiert, ein integraler Bestandteil eines Automatisierungskonzeptes, das im Rahmen des PABADIS Projektes entwickelt wurde: Während PABADIS das gesamte Spektrum von Planung und Maschineninfrastruktur zum Inhalt hat, bezieht sich der Kern dieser Arbeit weitestgehend auf den letztgenannten Punkt - Maschineninfrastruktur. Ziel war es, generische Maschinenfunktionalität in einem Netzwerk anzubieten, durch das Fertigungsaufträge selbstständig navigieren. Als Lösung präsentiert diese Dissertation ein Plug-and-Participate basiertes Konzept, welches beliebige Automatisierungsfunktionen in einer spontanen Gemeinschaft bereitstellt. Basis ist ein generisches Interface, in dem die generellen Anforderungen solcher ad-hoc Infrastrukturen aggregiert sind. Die Implementierung dieses Interfaces in der PABADIS Referenzimplementierung sowie die Gegenüberstellung der Systemanforderungen und Systemvoraussetzungen zeigte, das klassische Plug-and-Participate Technologien wie Jini und UPnP aufgrund ihrer Anforderungen nicht geeignet sind - Automatisierungsgeräte stellen oftmals nur eingeschränkte Ressourcen bereit. Daher wurde als zweites Ergebnis neben dem Plug-and-Participate basierten Automatisierungskonzept eine Plug-and-Participate Technologie entwickelt - Pini - die den Gegebenheiten der Automatisierungswelt gerecht wird und schließlich eine Anwendung von PABADIS auf heutigen Automatisierungsanlagen erlaubt. Grundlegende Konzepte von Pini, die dies ermöglichen, sind die gesamte Grundarchitektur auf Basis eines verteilten Lookup Service, die Art und Weise der Dienstrepräsentation sowie die effiziente Nutzung der angebotenen Dienste. Mit Pini und darauf aufbauenden Konzepten wie PLAP ist es nun insbesondere möglich, Automatisierungssysteme wie PABADIS auf heutigen Anlagen zu realisieren. Das wiederum ist ein Schritt in Richtung Kundenorientierung - solche Systeme sind mit Hinblick auf Flexibilität und Anpassungsfähigkeit gestaltet worden, um Kundenbedürfnissen effizient gerecht zu werden