EDK

Vernetzung von mobilen CPS und stationären Produktionsmaschinen durch echtzeitfähige Drahtloskommunikation

Projektförderung

Hintergrund

In Zukunft wird die industrielle Produktion durch eine starke Produktindividualisierung und eine hoch flexible Produktion gekennzeichnet sein. Dies geht aus einer Studie des Arbeitskreises Industrie 4.0 hervor. Realisiert werden soll dies durch intelligente Fabriken, die stationäre und mobile Cyber-Physische Systeme (CPS) in die Produktion einbinden. Das Zusammenspiel verschiedener CPS in Produktionszellen erfordert deren horizontale und vertikale Vernetzung. Für mobile CPS ist dazu ein drahtloses Kommunikationssystem notwendig, welches die Anforderungen der industriellen Kommunikation berücksichtig.

Die zukünftigen CPS sollen eigenständig Informationen untereinander austauschen, Aktionen auslösen und sich gegenseitig und selbstständig steuern. Für CPS als Bestandteile von Produktionszellen gelten die Kommunikationsanforderungen der bisherigen Zellebene: Neben einer deterministischen Echtzeitkommunikation mit einer hohen Verfügbarkeit zählen dazu die Zuverlässigkeit der Datenübertragung mit einer Bitfehlerrate unter 10-5 und eine garantierte Antwortzeit. Besonders bei kooperierenden CPS, beispielsweise bei Roboterarmen, ist die Synchronität aller beteiligten Kommunikationsteilnehmer von entscheidender Bedeutung. Die erforderliche Reaktionszeit kann je nach Applikation und Prozess zwischen 1 ms und 100 ms liegen. Bisher gibt es keine Funkstandardlösungen, die den zeitkritischen Echtzeitanwendungen von CPS vollständig genügen.

Ziele

Innerhalb des von der DFG geförderten Projekts wird LTE-Advanced um Mechanismen zur Gewährleistung der Synchronität und der Zuverlässigkeit erweitert. Das dadurch entstehende Kommunikationssystem kann damit die genannten Anforderungen der Zellebene erfüllen.

Konzept LTE-Kommunikationssystem
Konzept LTE-Kommunikationssystem

Ergenisse und geplante Arbeiten

1. Förderperiode

In der ersten Förderperiode des Projektes wurde am ISW die grundlegende Infrastruktur für experimentelle Untersuchungen der LTE-Kommunikation geschaffen. Dies beinhaltet den Aufbau eines drahtlosen Forschungsnetzwerks mit Funkzelle und LTE-Entwicklungsmodulen, sowie die Untersuchung der Schnittstellen der LTE-Komponenten zur Anbindung an Anwendungssysteme. Weiterhin wird ein geeignetes Kommunikationsschema zur Kompensation der Schwankungen der Übertragungslatenz genutzt. Ebenfalls besitzt der experimentelle Aufbau einen dafür entwickelten Zeitsynchronisierungsmechanismus auf Basis von GPS. In experimentellen Untersuchungen konnte eine Synchronisierungsgenauigkeit von 100 µs mit diesen prototypischen Aufbauten nachgewiesen werden. Da der verwendete Mobilfunkstandard (LTE) seine Übertragungsbandbreite der Signalqualität anpasst, kommt ein für den Anwendungsfall geeigneter Stabilisierungsmechanismus zum Einsatz. Dieser ist zur Nutzung mit industrieller Kommunikation eigens entworfen worden und lehnt sich an das Streaming-Verfahren DASH an. Die entworfenen Verfahren sind zusammen in einem Prototyp implementiert, der für experimentell Untersuchungen zur Verfügung steht. Die Untersuchungsergebnisse zeigen, dass eine echtzeitfähige Drahtloskommunikationslösung für CPS in Produktionseinrichtungen auf Basis von LTE machbar ist.

Aktuelle Förderperiode

In der aktuellen Förderperiode wird erforscht inwieweit sich die bisher erlangten experimentellen Erkenntnisse auf eine reale industrielle Steuerungskommunikation übertragen lassen. Dazu werden die Mechanismen und Systeme mit realer Maschinenkommunikation bzw. der Kommunikation von Fahrerlosen-Transportsystemen (FTS) anhand eines Einsatzszenarios getestet und untersucht. Darüber hinaus werden Analysen und Erprobungen zur Reduzierung der Systemlatenz durchgeführt, da diese im bisherigen Aufbau noch zu hoch für einige steuerungstechnische Anwendungen liegt. Zu untersuchende Faktoren sind hierbei die Ausführung und Reduktion der internen Signal-/Datenpfade und Schnittstellen sowie eine direktere Anbindung der zentralen Maschinensteuerung an das Kernnetz des Funksystems. Da es sich bei Funk um ein sogenanntes geteiltes Übertragungsmedium handelt, spielen auch die Anzahl der Kommunikationsteilnehmer sowie der Umgang damit eine wesentliche Rolle. Es wird ein geeignetes Kommunikationsschema für eine bidirektionale Kommunikation mit mehreren Teilnehmern entwickelt, welches die geringen Ressourcen der Funkübertragung effizient nutzt. Um hier unterschiedlichste Szenarien und eine Vielzahl von Teilnehmern untersuchen zu können erfolgt dies simulationsgestützt. Hierzu wird der bestehende Versuchsaufbau inklusive der notwendigen Erweiterung innerhalb eines Simulationsframeworks modelliert.

Vision

Um eine echtzeitfähige Drahtloskommunikation für CPS in Produktionseinrichtungen zu schaffen, wird im Rahmen des Projektes eine Erweiterung von LTE-Advanced durch GPS und Streaming-Mechanismen untersucht. Dieses drahtlose Kommunikationssystem, welches in der ersten Projektperiode bis zur Funktionsfähigkeit der Layer 1 bis etwa 3 des ISO/OSI Referenzmodels aufgebaut wurde, soll in der aktuellen Förderperiode um die oberen Schichten inklusive einer produktions-technischen Anwendungsschicht erweitert werden. Durch diese Forschungsarbeit wird eine Infrastruktur zur Realisierung von Industrie 4.0 geschaffen, die eine vertikale und horizontale Vernetzung von Fertigungssystemen ermöglicht und zusätzlich minimale Kosten für die Verkabelung verursacht sowie zusätzlich neue Geschäftsmodelle beim Einsatz von mobilen Fertigungsgeräten eröffnet. Grundsätzlich wird erwartet, dass die Projektergebnisse auf zukünftige Funksysteme wie beispielweise 5G anwendbar sind und in Kombination damit einen Mehrwert bieten.

Ihr Ansprechpartner

Dieses Bild zeigt  Philipp Neher
Dipl.-Ing.

Philipp Neher

Wissenschaftlicher Mitarbeiter "Echtzeitkommunikation und Steuerungshardware"

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