Methods of evaluation and improvement on cascaded wired and wireless real-time communication networks for factory automation

Methoden zur Evaluierung und Verbesserung von kaskadierten kabelgebundenen und kabellosen Echtzeit-Kommunikationsnetzwerken für die Fertigungsautomatisierung

  • 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 ofFactory 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.show moreshow less
  • 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 dieAnwendungen 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.show moreshow less

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Metadaten
Author: Dietrich, Steven
URN:urn:nbn:de:kobv:co1-opus4-54833
DOI:https://doi.org/10.26127/BTUOpen-5483
Referee / Advisor:Prof. Dr. Kraemer, Rolf, Prof. Dr. Vierhaus, Theo, Prof. Dr. Leurs, Ludwig
Document Type:Doctoral thesis
Language:English
Year of Completion:2021
Date of final exam:2021/03/15
Release Date:2021/05/03
Tag:Echtzeitkommunikation; Fabrikautomatisierung; Kaskadiertes Netzwerk
Cascaded networks; Factory automation; Real-time communication
GND Keyword:Automatisierung; Echtzeitverarbeitung; Telekommunikationsnetz
Institutes:Fakultät 1 MINT - Mathematik, Informatik, Physik, Elektro- und Informationstechnik / FG Systeme
Licence (German):Keine Lizenz vergeben. Es gilt das deutsche Urheberrecht.