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wissenschaft:dissertation 

thema ...

Konsequent dezentralisierte Steuerung mit Industrial Ethernet und offenen Applikationsprotokollen

Beitrag zum Einsatz von Industrial Ethernet in der Automatisierungstechnik

gutachter ...

o. Prof. Dr.-Ing. Hartmut Weule

promotion ...

Karlsruhe, den 30. Januar 2003

deutsche kurzfassung der arbeit ...

Moderne Produktionssysteme erfordern von Hard- und Software der Automatisierungstechnik eine hohe Modularität, um Konfigurationsänderungen der Anlagen zu beschleunigen und die Wirtschaftlichkeit der Investitionen zu sichern. Darüber hinaus nimmt der Wert der Informationen aus der Produktion bis über die Leit­ebene hinaus (z.B. für einen externen Dienstleister) immer mehr zu. Diese Daten müssen deshalb möglichst ohne Medienbruch zur Verfügung stehen. Der weltweite Einsatz dieser Daten, die hohe Komplexität der Busübergänge und Protokollübersetzungen, z.B. von Steuerungsebene zu Leit- und Managementebene, verlangen durchgängige Bussysteme und offene Protokolle auf allen Ebenen der Produktion und der begleitenden Dienstleistungen.

Hierzu stellt Industrial Ethernet das geeignete Medium und XML das geeignete Protokoll dar, wobei letzteres zudem hohe Potenziale hinsichtlich der Faktoren Kosteneinspa­rung, Elektromagnetische Verträglichkeit, Datendurchsatzraten bzw. Offenheit und Flexibilität besitzt.

Ziel dieser Arbeit ist es deshalb, die Funktionen einer SPS konsequent in die Sensoren und Aktoren eines Produktionssystems zur verlagern und diese mit Industrial Ethernet zu vernetzen. Dabei kommt als Kommunikationsbus Ethernet mit TCP/IP zum Einsatz. Die Verwendung von erweiterbaren Applikatikonsprotokollen erhöht die Offenheit des Ansatzes. Die vorliegende Arbeit ist somit eine konsequente Weiterverfolgung der Entwicklungen von zentralen zu verteilten SPS-Systemen. Die bisher erfolgte Aufgabenverteilung auf mehrere Steuerungen und geringfügig in die Sensor-/Aktorebene hinein wird bis hin zu einer konsequenten Dezentralisierung weiter verfolgt. Das zentrale Mittel des verteilten Steuerungssystems ist das Programmier- und Dekompositionswerkzeug, mit dem der Anwender effizient bei der Projektierung des Steuerungssystems unterstützt wird. Damit kann im ersten Schritt der Ablauf des Prozesses abgebildet werden, der in einem zweiten Schritt mit Hilfe der Dekomposition zerlegt und letztlich in die intelligenten Steuerungsknoten verteilt wird. Das wesentliche Modul des Projektierungswerkzeuges ist das Daten- und Kommunikationsmodell. Mit dessen Hilfe werden die Aktoren durch die Informationen der Sensoren mit den entsprechenden Programmierungs- und Steuerungsschnittstellen gesteuert.

Mit dem im Rahmen dieser Arbeit konzipierten und implementierten Steuerungssystem konnte ein Baustein für das Gebiet der dezentralen bzw. verteilten Steuerung entwickelt werden. Des Weiteren wurde ein Beitrag zur Einführung von Industrial Ethernet als durchgängiger Feldbus geleistet. Als Fortschritt - im Vergleich zu bestehenden Lösungen - sind insbesondere die umfassende Bereitstellung von Bus- und Protokolltechnologien zur horizontalen und vertikalen Inte­gration zu nennen. Die Potenziale verteilter Steuerungssysteme und die Ergebnisse der Arbeit basieren auf intelligenten Sensor- und Aktorknoten im industriellen Umfeld. Dies konnte im Rahmen der Umsetzung dieser Lösung auf einer prototypischen Förderanlage mit einer SPS-Grundfunktionalität für Stückgüter nachgewiesen und bewertet werden.

englische kurzfassung der arbeit ...

Today, new approaches within production technology, where the system is operated and owned by the supplier, constantly require more precise information about the state of individual system components. In order to achieve this a continuous, vertical connection is required between the ERP level and the field level.

These solutions require intelligent sensors and actuators, which enable a control system to function with-out a central intelligence. The paper presents how the functions of a PLC (Programmable Logic Control) can be completely distributed in the sensors and actuators of a production system. Through using an UML-based distribution function a control program can be automatically divided and distributed in the control nodes. As a result, the control system becomes modular in hardware and software.

New technologies, structures and designs are increasingly being demanded, in order to achieve lasting improvements in the competitive environment and further developments in the automation industry. In the field of production control, decentralized structures have proven to be strong concepts when managing new challenges. Today, analogous to the operation organization, automation systems with their decentral design have to replace the large central automation systems, thus all their disadvantages.

Furthermore, continuous communication from the ERP level to the individual sensors is increasingly becoming more important within production technology. This trend is referred to as vertical integration. Moreover, a tendency towards constantly smaller control structures is shown. This means that progressively more and more intelligence and decision competences are migrating into the periphery – this refers to both large-scale production units and small control systems.

Formerly, modular concepts were proven to decrease the mechanical development and manufacturing costs. This modularization is supported by automation technology with a progressive decentralization of the control systems. Here, system components have an autonomous control as an independent mechatronic system. This control must only be adapted to the modularly attached systems

The presented concept provides a substantial contribtion for the solution of the problem of the progressive decentralization in the automation technology. Due to the complexity of the decentralization surely still further research remains. Thus the application of new TCP/IP protocols (e.g. IPv6) and automated addressing of the control knots opens further operating fields.

As achievement of the concept it can be summarized that the complete distribution of control intelligence is a profit to horizontal and vertical integration as well as an improvement of modularity in the automatic control engineering. This is reached by the used hardware and software, as well as by the application of open and expand-able protocols.


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