Übertragungstechnologien, Simulation und Entwurf robuster Regelungen für drahtlose Feldgeräte in der Industrie

Nach über zwei Jahrzehnten seit dem Beginn der Verbreitung von Funktechnologien im alltäglichen Lebensumfeld gibt es zunehmend Bestrebungen, drahtlose Technologien auch im industriellen Bereich und insbesondere auf Feldebene einzusetzen. Begünstig wird dies durch die Einführung von energieverbrauchsarmen Funktechnologien und Protokollen wie beispielsweise WirelessHART, ISA100.11a, ZigBee und Bluetooth Low Energy. Zu Beginn dieser Arbeit und aktuell werden drahtlose Technologien von der Industrie hauptsächlich für Diagnose und Konfigurationszwecke genutzt. Die vorliegende Arbeit geht einen Schritt weiter und hat die Zielsetzung zu untersuchen, inwieweit drahtlose Technologien auch im geschlossenen Regelkreis betrieben werden können. Durch ihre hohe Flexibilität eignet sich die Funkkommunikation auch für das Themenfeld der "Industrie 4.0"', was ebenfalls im Verlauf dieser Arbeit berücksichtigt wird. Zunächst werden die für diese Arbeit relevanten Kommunikationsstandards sowie deren Aufbau allgemein betrachtet. Daraufhin werden die verwendeten Funkprotokolle WirelessHART, Bluetooth, Bluetooth Low Energy und ein auf dem MAC-Layer basierendes Protokoll vorgestellt. Es wird ein Vergleich der für die Regelungstechnik relevanten Eigenschaften, der Sicherheit und des Implementierungsaufwandes durchgeführt. Nachdem die Protokolle vorgestellt worden sind, wird eine Vorgehensweise zum Entwurf von Regelungen gezeigt. Damit verbunden wird ein in dieser Arbeit zusammengestellter Netzwerksimulator vorgestellt, mit dem es möglich ist, geregelte Systeme realistisch zu simulieren, die das WirelessHART-Protokoll zur Übertragung von Messwerten und/oder Stellgrößen nutzen. Schließlich wird eine Hardware-in-the-Loop (HiL) Simulation vorgestellt, die in Verbindung mit beliebigen Netzwerkprotokollen nutzbar ist. Da drahtlose Netzwerke in Abhängigkeit vom verwendeten Protokoll bei der Werteübermittlung einer über der Zeit variierenden Totzeit unterliegen, wird eine Methode zur Nachbildung von Totzeiten für lineare Systeme beschrieben. Außerdem werden die Unterschiede zwischen zentraler und lokaler Regelung vorgestellt und insbesondere deren Eignung für Regelkreise mit drahtlosen Übertragungsstrecken diskutiert. Schließlich wird auf den Betrieb von mehreren Regelkreisen im selben Funknetzwerk eingegangen und besonders die Problematik hinsichtlich der Übertragungssynchronisierung bei MIMO-Systemen mit kommerziellen Produkten aufgezeigt. Gleichzeitig wird ein Ansatz vorgestellt, wie ein Protokoll aufgebaut sein kann, damit sowohl die Synchronisation der Messwertaufnahme als auch der Betrieb mehrerer Regelkreise in einem Multi-Hop-Funknetzwerk realisierbar sind. Nachdem eine Verbindung zwischen den Eigenschaften von drahtlosen Netzwerkprotokollen und den Anforderungen von Regelungen hergestellt ist, werden ausgewählte Regelungsverfahren vorgestellt. Dabei handelt es sich um einen Gain-Scheduling-Regler, ein Konzept von Yokogawa, einen Predictive-Outage-Compensator und ein Multiraten-Konzept. All diese Regelungsverfahren werden am Beispiel eines Anlagenprüfstands anhand von Simulationen, HiL-Simulationen und Messungen am realen Versuchsstand veranschaulicht und bewertet

Cross-Layer-Optimierungen für WLAN-Mesh-Netzwerke

Gegenstand dieser Arbeit ist es, das Verhalten von IEEE-802.11s-Mesh-Netzwerken in der Praxis zu untersuchen und Strategien und Lösungen zu entwickeln, durch die einerseits die Administrierbarkeit und Skalierbarkeit komplexer Mesh-Backbones erhöht werden und andererseits verteilte Anwendungen die darunter liegende Netzwerkstruktur gezielt berücksichtigen können, um das vorhandene Datendurchsatzpotential effizient zu nutzen.The aim of this thesis is to investigate the practical behavior of IEEE 802.11s mesh networks and to develop strategies and solutions that, on the one hand, increase the scalability and manageability of complex mesh backbones and, on the other hand, enable distributed applications to explicitly consider the underlying network structure, allowing them to utilize the available network capacity efficiently

Opportunistische Weiterleitung von netzwerkcodierten Multicast-Übertragungen in drahtlosen Sensornetzen

In dieser Dissertation wird ein Kommunikationsschema für drahtlose Sensornetze entwickelt, welches die Multicast-Kommunikation unterschiedlicher Anwendungen mittels Netzwerkcodierung überlagert. Eine besondere Herausforderungen stellen hierbei die Eigenschaften drahtloser Sensornetze dar. Die eingeschränkte Netzwerkkapazität beschränkt zugleich das erreichbare Maximum der handhabbaren Datenmenge

Basissoftware für drahtlose Ad-hoc- und Sensornetze

Mit dem Titel "Basissoftware für selbstorganisierende Infrastrukturen für vernetzte mobile Systeme" vereint das Schwerpunktprogramm 1140 der DFG Forschungsvorhaben zum Thema drahtloser Ad-hoc- und Sensornetze. Durch die Konzeption höherwertiger Dienste für diese aufstrebenden Netztypen leistet das Schwerpunktprogramm einen essentiellen Beitrag zur aktuellen Forschung und erschafft gleichzeitig ein solides Fundament zur Entwicklung zahlreicher Anwendungen

Web Services in stark ressourcenlimitierten Umgebungen

In dieser Arbeit wird eine Vernetzungslösung für 6LoWPANs auf Grundlage von W3C SOAP Web Services vorgestellt. Zum einen werden erweiterte, generelle Schnittstellenmechanismen und Funktionen wie beispielsweise effizientes Discovery (Suchen und Finden von Geräten) und feingranulares Eventing (asynchrones Push) definiert. Zum Zweiten wird die Nachrichtengröße durch Nutzung spezifischer Datenkodierungen auf Basis von EXI minimiert. Zum Dritten wird ein Ansatz vorgestellt, mit dem die größenoptimierten Nachrichten effizient mittels CoAP im 6LoWPAN übermittelt werden können

MAC-Schicht Optimierung zur Nutzung eines auf UWB basierenden drahtlosen Kommunikationsnetzwerks innerhalb von Satelliten

Raumfahrzeuge bestehen nach gangiger Praxis aus unterschiedlichen Subsystemen, die ¨ miteinander verbunden sind und uber Bussysteme, wie SpaceWire, Daten miteinander ¨ austauschen. Ein großer Kostenfaktor bei der Konstruktion ist dabei die Verkabelung, um die Kommunikation zwischen diesen Systemen sicherzustellen. Zur Reduzierung des Verkabelungsaufwandes bietet sich die Verwendung energiesparender, drahtloser Sensornetzwerke an, wie sie auch auf der Erde bereits in vielen Anwendungsbereichen zum Einsatz kommen. Eine neue vielversprechende Ubertragungstechnik ¨ in diesem Bereich stellen impulsbasierte Ultrabreitband Funkverbindungen dar. Prinzipbedingt sind diese sehr robust und bspw. nahezu immun gegen Signalabschw¨ achung durch Mehrwegeausbreitung. Uber dieser physischen Zugriffsebene definieren Standards ¨ wie der IEEE 802.15.4 auch MAC Layer, die fur diese Betriebsart besonders geeignet sind ¨ und die Verteilung des Mediums zwischen den Teilnehmern organisieren. Insbesondere die jungsten Erweiterungen dieses Standards zielen auf die Erh ¨ ohung der Robustheit ¨ dieser Netze ab, um sie z.B. in Industriesteuerungen verwenden zu konnen. ¨ Diese Arbeit zeigt die Implementierung der LLDN Erweiterung des 802.15.4e Standards fur Ultrabreitband Transceiver. Dieser auf einem TDMA Verfahren basierende MAC Layer ¨ zeichnet sich durch besonders geringen Protokoll-Overhead aus. In Kombination mit einer Ultrabreitbandverbindung lasst sich so ein sehr leistungsf ¨ ahiges und gleichzeitig ¨ robustes Netz realisieren, das auch fur kritische Prozesse an Bord eines Raumfahrzeuges ¨ eingesetzt werden kann. Die implementierte Losung wurde mit dem weit verbreiteten ¨ TSCH MAC des Standards verglichen und zeigt neben einer signifikant geringeren Latenz auch ein deterministisches Latenzverhalten bei gleichzeitig niedrigem Energieverbrauch pro Paket. Die Kombination von LLDN und Ultrabreitband zeigt das Potential, um auf dieser Basis einen angepassten MAC Layer fur die Intra-Satellitenkommunikation zu ¨ entwickeln

Effiziente Algorithmen der Positionsbestimmung und positionsbasierte Kontextgewinnung zur Selbstorganisation in drahtlosen Sensornetzwerken

Als zentrales Thema der Arbeit wird die Positionsbestimmung einzelner Knoten innerhalb drahtloser Sensornetzwerke betrachtet. Im zweiten Themenkomplex, der Clusterbildung, wird zum einen ein auf Lokalisierung aufbauendes Verfahren betrachtet. Zum anderen wird ein Algorithmus vorgestellt, welcher nicht auf die Ermittlung konkreter Positionen angewiesen ist. Das im dritten Themenkomplex betrachtete Verfahren zur Erkennung von Fehlern innerhalb drahtloser Sensornetzwerke bietet eine Möglichkeit, um Fehler innerhalb ermittelter Informationen in drahtlosen Sensornetzwerken zu erkennen.As its main topic this thesis deals with positioning of single nodes within wireless sensor networks. Clustering in wireless sensor networks forms the second part of this work. Two newly developed algorithms will be presented. One of them is based on location information. The other uses coarse grained localization technique but without the need for location information. The third topic of this thesis is about an algorithm newly developed to detect erroneous data at a sensor node

Eine offene Mobile Health Plattform zur Erfassung und Verarbeitung von physiologischen Parametern in der Präventivmedizin

Das Ziel dieser Arbeit war die Entwicklung eines mobilen Online-Erfassungssystems, das neue Möglichkeiten für Untersuchungen nach dem Belastungs-Aktivitäts-Konzept bietet. Dabei stand die Echtzeitüberwachung von physiologischen Parametern, Bewegungen und diversen Eingabedaten unabhängig vom Standort eines Probanden und des Untersuchers im Mittelpunkt. Zur Umsetzung erfolgte die Durchführung einer Recherche gemäß geeigneter Systemkomponenten, welche die notwendigen Eigenschaften im Hinblick auf die Datenerfassung und -übertragung zur Verfügung stellen