TY - THES A1 - Dietrich, Steven T1 - Methods of evaluation and improvement on cascaded wired and wireless real-time communication networks for factory automation T1 - Methoden zur Evaluierung und Verbesserung von kaskadierten kabelgebundenen und kabellosen Echtzeit-Kommunikationsnetzwerken für die Fertigungsautomatisierung N2 - Factory automation applications require a communication system that concurrently supports them with determinism, reliability, short communication cycles, and precise synchronization as well as mobility and extensibility. However, neither currently employed wired nor available wireless communication networks support all of these requirements at once. On the one hand, wired networks lack mobility and extensibility. On the other hand, wireless networks do not support reliability or determinism due to the stochastic nature of wireless channels. Moreover, none of the available wireless networks enable transmission latencies of 1 ms and below. Therefore, they cannot support the required short communication cycles. However, various research initiatives and the currently developed 5G standard promise to overcome these limitations at least partially. Nevertheless, even a corresponding wireless network will not directly replace all wired connections, but will initially be used for subsections of the data transmission, where e.g. mobility is of utmost importance. Accordingly, cascaded communication networks consisting of hierarchically ordered, wired and wireless subnetworks will emerge. In this thesis, we investigate effects and dependencies of such a cascading for the real-time communication of factory automation applications. Therefore, we have to find methods to interconnect arbitrary wired and wireless communication networks such that we can maintain the reliable real-time performance of wired subnetworks and the mobility of wireless subnetworks without, or at most with minimal performance degradation. Ideally, with a cascaded network, no hardware or software adjustments will be necessary compared to the individual networks deployed today. Based on a delimiting review of different application areas and a dedicated use case analysis of typical factory automation applications, we derive the most challenging requirements that have to be fulfilled by cascaded communication networks. According to this review, we present several methods to reduce the overall transmission latency in cascaded networks. Starting with analyzing different interface concepts and continuing with frame conversion methods, we achieve a decision-making basis to select dedicated subnetworks for a cascaded network that can be used for closed-loop control applications. Additionally, we develop methods to optimize the parametrization of individual subnetworks with respect to the overall communication, such that the end-to-end transmission latency can be drastically reduced. For verification, we design a generic model for analyzing the timing behavior of arbitrary communication networks and verify it based on an analysis of a machine tool application scenario. Additional measurements based on a real demonstrator implementation corroborate that, in industrial application, cascaded communication networks can provide competitive performance compared to the currently used wired networks. N2 - Anwendungen der Fabrikautomatisierung benötigen ein Kommunikationssystem, das gleichzeitig Determinismus, Zuverlässigkeit, kurze Kommunikationszyklen und präzise Synchronisation sowie Mobilität und Erweiterbarkeit ermöglicht. Allerdings unterstützen weder die derzeitigen drahtgebundenen, noch drahtlosen Kommunikationsnetzwerke alle diese Anforderungen auf einmal. Auf der einen Seite mangelt es den drahtgebundenen Netzwerken an Flexibilität und Skalierbarkeit. Auf der anderen Seite unterstützen drahtlose Netzwerke aufgrund der stochastischen Natur der drahtlosen Kanäle weder Zuverlässigkeit noch Determinismus. Auch ein entsprechendes drahtloses Netzwerk wird nicht alle drahtgebundenen Verbindungen direkt ersetzen, sondern zunächst nur in Teilbereichen der Datenübertragung eingesetzt werden können. Dabei werden kaskadierte Kommunikationsnetze entstehen, welche aus hierarchisch geordneten, drahtgebundenen und drahtlosen Teilnetzen bestehen. In dieser Arbeit wird untersucht, welche Auswirkungen eine solche Kaskadierung auf die Echtzeitkommunikation von Anwendungen der Fabrikautomatisierung hat. Im Idealfall erfordert die Verwendung kaskadierter Netzwerke im Vergleich zu den heute eingesetzten individuellen Netzwerken keine Hardware- oder Software-Anpassungen. Um dies zu ermöglichen, wird untersucht, wie sich beliebige drahtgebundene und drahtlose Kommunikationsnetze miteinander kombinieren lassen, sodass die einzelnen Vorteile möglichst ohne Einschränkungen aufrechterhalten werden können. Hierfür wird mit einer abgrenzenden Betrachtung verschiedener Anwendungsbereiche und einer dedizierten Use-Case-Analyse typischer Anwendungen der Fabrikautomatisierung begonnen. Davon werden die anspruchsvollsten Anforderungen abgeleitet, welche die kaskadierten Kommunikationsnetzwerke erfüllen müssen. Basierend auf dieser Analyse werden verschiedene Methoden vorgestellt, welche insbesondere zusätzlich auftretende Übertragungslatenzen in kaskadierten Netzwerken reduzieren. Hierbei werden verschiedene Schnittstellenkonzepte und Methoden der Nachrichtenkonvertierung zwischen den einzelnen Teilnetzwerken analysiert. Damit wird eine Entscheidungsgrundlage zur Auswahl dedizierter Teilnetze für ein kaskadiertes Netzwerk geschaffen. Zusätzlich werden Methoden entwickelt, mittels derer die Parametrisierung der einzelnen Teilnetze in Bezug auf die Gesamtkommunikation optimiert wird, um damit die Ende-zu-Ende-Übertragungslatenz drastisch zu reduzieren. Zur Verifikation wird ein generisches Modell zur Analyse des Zeitverhaltens beliebiger Kommunikationsnetzwerke entwickelt und anhand eines Anwendungsszenarios aus dem Bereich der Werkzeugmaschinen ihr Effekt bewertet. Zusätzliche Messungen an einer realen Demonstrator-Implementierung bestätigen, dass kaskadierte Kommunikationsnetzwerke für industrielle Anwendungen eine konkurrenzfähigere Leistung im Vergleich zu den derzeit verwendeten drahtgebundenen Netzwerken bieten können. KW - Cascaded networks KW - Factory automation KW - Real-time communication KW - Kaskadiertes Netzwerk KW - Fabrikautomatisierung KW - Echtzeitkommunikation KW - Telekommunikationsnetz KW - Echtzeitverarbeitung KW - Automatisierung Y1 - 2021 U6 - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:kobv:co1-opus4-54833 ER - TY - THES A1 - Hund, Johannes T1 - Entwurf eines robusten drahtlosen Kommunikationssystems für die industrielle Automatisierung unter harten Echtzeitbedingungen auf Basis von Ultrawideband-Impulsfunk T1 - Design of a robust wireless communication system for industrial automation with hard real-time constraints based on ultra-wideband impulse radio N2 - Ziel dieser Dissertation war es, die Eignung von Ultra-Breitband-Pulsfunk (IR-UWB) für die drahtlose Kommunikation in der Sensor/Aktor-Ebene der Fertigungsautomatisierung zu untersuchen. Dazu wurde ein drahtloses Kommunikationssystem auf Basis standardisierter Protokolle entworfen und untersucht. Diese Anwendung erfordert die Erfüllung harter Echtzeitfähigkeit im Bereich weniger Millisekunden in industriellen Umgebungen. Ein solches Umfeld stellt aufgrund eines hohen Rauschpegels und vieler metallischer Oberflächen, die Multipfad-Effekte verursachen, sehr hohe Ansprüche an das Latenzverhalten und die Robustheit. Deshalb waren die Hauptziele die Reduzierung von Latenz und gleichzeitige Erhöhung der Robustheit für den existierenden, auf IR-UWB basierenden Standard IEEE 802.15.4a. Dieser Standard ist unter anderem deshalb vielversprechend, da er sich mit sehr preisgünstigen, nicht-kohärenten Empfängern von geringer Komplexität umsetzen lässt, die trotzdem relativ robust gegenüber Multipfad-Effekten sind. Es wurde gezeigt, dass sich auch mit diesen günstigen Geräten durch Optimierung des Standards eine hohe übertragungssicherheit bei geringer Latenz realisieren lässt. Es wurden Modifikationen zur Optimierung der Robustheit und Latenz des bisher üblichen Designs von nicht-kohärenten IR-UWB-Empfängern vorgestellt. Durch Ergänzungen zu der im Standard beschriebenen Modulation und Kodierung konnte die Verlässlichkeit zusätzlich gesteigert werden. Um diese optimierte PHY-Schicht effizient einsetzen zu können, wurde eine spezialisierte MAC-Schicht für die Automatisierung, die in einem Entwurf für den kommenden Standard IEEE 802.15.4e beschrieben wird, eingesetzt. Da bei dieser MAC-Schicht die Kommunikationsmuster im Voraus bekannt sind, war weitere schichtübergreifende, applikations-spezifische Optimierung möglich, die eine weitere Reduzierung der Latenz sowie eine Erhöhung der Robustheit erbrachte. Im Zuge der Arbeit wurde ein flexibel konfigurierbarer Simulator für IR-UWB auf Basis von industriell akzeptierten Kanalmodellen erstellt. Dieser Simulator wurde auch zur Evaluation und Verifikation der Forschungsergebnisse benutzt. Das entworfene Gesamtsystem ist über mehrere Parameter konfigurierbar und dadurch an weitere Anwendungen in der Automatisierung anpassbar. Eine dieser Konfigurationen wurde durch Simulation evaluiert. Sie zeigt mindestens die gleiche und zum Teil bessere Performance als bisherige drahtlose oder drahtgebundene Lösungen für die Sensor/Aktor-Ebene der Fertigungsautomatisierung, wie z.B. AS-Interface, Bluetooth I/O oder WISA. Für den repräsentativen Fall von 32 Teilnehmern mit jeweils einem Byte Prozessdaten erreicht sie eine Zykluszeit von 1,88 ms. Damit kann eine eine mittlere Reaktionszeit von 985 µs erreicht werden und eine harte Echtzeitschranke von 15 ms mit einer Fehlerwahrscheinlichkeit unter 10^-9 eingehalten werden. Das Kommunikationssystem wurde auch in Hardware auf FPGA-Basis implementiert. Da das benutzte analoge Front-End, ein früher Prototyp eines IEEE 802.15.4a-kompatiblen Front-Ends, noch keine repräsentativen Messungen zuließ, wurde die Funktion durch eine Basisbandverbindung über Kabel verifiziert. N2 - Goal of this thesis was to investigate the suitability of Ultra-Wideband Impulse Radio (IR-UWB) for wireless communication in the sensor-actuator layer of industrial factory automation by designing and evaluating a wireless communication system based on this technology. Another requirement was that the system should be using standardized protocols or products wherever possible. The application scenario results in hard real-time constraints in the order of few milliseconds. Those are to be fulfilled in rough environments with high noise figures and many metallic objects, that are causing a lot of multipath effects. Thus, the primary subjects were to reduce latency and improve robustness for the existing IR-UWB based standard IEEE 802.15.4a. A very appealing feature of that standard is that it allows the use of very cheap, low complexity non-coherent devices. It was discovered, that it is possible to improve the robustness of transmissions while still using these low-cost, low-complexity devices with only few additions to the existing standard. Several contributions to the state of the art of low-cost, low-complexity receiver design for IR-UWB and changes in modulation and coding were made to enhance the robustness of the existing standard. To use the resulting improved PHY layer efficiently, an exisiting specialized MAC layer for factory automation, as described in the draft standard IEEE 802.15.4e, was used. This MAC layer enabled further application specific cross-layer improvements that exploit the known communication pattern to provide a lower latency and higher resilience. The resulting communication system is configurable to adopt to different automation applications and provides at least equal and partly better performance than existing wire-bound or wireless solutions for the sensor-actuator level of industrial factory automation, like e.g. AS-Interface, Bluetooth I/O or WISA. For the representative case of 32 slave nodes with one byte of payload data each, the system provides a cyce time of 1.88 ms. It therefore allows to fulfill a hard realtime boundary of 15 ms with an error probability below 10^-9. During the work, a highly configurable simulator for IR-UWB based on industry-grade channel models has been developed to verify the results. The communication system was implemented in hardware based on FPGA. Since the RF-frontend was not ready for test, the verification of MAC and baseband functionality was acomplished using a baseband back-to-back test method. KW - Drahtloses lokales Netz KW - Ultraweitband KW - Breitbandübertragung KW - Echtzeitverarbeitung KW - UWB KW - Automatisierung KW - Echtzeit KW - Impulsfunk KW - IEEE 802.15.4a KW - UWB KW - Automation KW - Real-time KW - Impulse radio KW - IEEE 802.15.4a Y1 - 2012 U6 - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:kobv:co1-opus-25219 ER -