Reliable Time-Sensitive Networks in Distributed Cyber-Physical Systems for Real-Time Control Industry 4.0 Applications (TSN-CPS)

Industrie 4.0, die „vierte industrielle Revolution“, ist geprägt von der horizontalen und vertikalen Integration der Prozesse entlang der industriellen Wertschöpfungskette. Um eine solche hoch flexible, komplexe, arbeitsteilige und verteilte Produktion zu ermöglichen, ist eine Vernetzung von Industrieanlagen zwingend erforderlich. Cyberphysische Systeme (CPS) koppeln hierbei die die physische (Operational Technology, OT) mit der Welt der Informationstechnik (IT).

Dabei erlauben es innovative Funktechnologien, Industrieanlagen schnell und kostengünstig zu verbinden. Vor dem Hintergrund, dass jetzt erstmalig abzusehen ist, kostengünstige und energieeffiziente drahtlose Basistechnologien mit potenzieller Echtzeitfähigkeit und eigenen Frequenzbändern zur Verfügung zu haben, erscheint es interessant, deren Tauglichkeit für harte Echtzeitprozesse zu evaluieren und sie so anzupassen, dass sie in industrielle Geräte unmittelbar integriert werden. Hierzu kann die Spezifikation eines weiteren drahtgebundenen Kommunikationsprotokolls und zwar des Ethernet-basierten Time-Sensitive Networks (TSN) gemäß IEEE802.1 genutzt werden, dessen Spezifikation zum Zeitpunkt der Antragsstellung gerade abgeschlossen wird, hat das Potenzial, zum anwendungs- und technologieübergreifenden Standard für die echtzeitfähige Kommunikation zu werden.
Im Projekt werden TSN-CPS folgende Zielstellungen verfolgt:

  • Es wird die Eignung der neuen Protokollkandidaten für die echtzeitfähige Kommunikation in industriellen Anwendungen überprüft und charakterisiert. Insbesondere werden die folgenden Protokolle betrachtet:
  1. DECT ULE (Ultra Low Energy)
  2. NB IoT (Narrowband IoT), sowie LTE Cat M1 aus Rel. 13 des LTE-Standards mit den Migrationspfaden zu 5G.
  3. optimierte Protokollvarianten im 868 MHz und 2,4 GHz-Band, die für den schnellen, synchronisierten Datenaustausch geeignet sind.
  • Für diese Kommunikationslösungen werden je nach Verfügbarkeit dezidierte Hardware-Module entwickelt, bzw. hardwaremäßig eingebunden.
  • Es werden beispielhafte echtzeitfähige Regelungsalgorithmen umgesetzt, bei denen diese mehrstufigen und verteilten cyberphysischen Systeme die Aufgaben einer Sensordatenauswertung, einer Sensorfusion und von Regelalgorithmen übernehmen können.
  1. Die beispielhaften Anwendungen stammen hierbei aus der diskreten Industrieautomation und weisen anspruchsvolle Echtzeitanforderungen von unter 10 ms auf, die mit herkömmlichen drahtlosen Funklösungen nicht erreicht werden können.
  2. Für diese Systeme wird sowohl auf der Ebene der Kommunikationsprotokolle (Layer 1, Layer 2) als auch auf Anwendungsebene (Layer 7) eine verteilte automatisierte Testumgebung entwickelt, die eine kontinuierliche Integration der Hardware- und Firmware und eine möglichst gute Steuerung der Kanalbedingungen erlauben.


 

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PROJEKTFUSSNOTE:

Fördergeber/Finanzierung: BMBF
Projektträger: Deutsches Zentrum für Luft- und Raumfahrt (DLR)
Fördernummer: 01IS17098B
Laufzeit: 01.01.2018 bis 31.12.2019
Kooperationspartner: Hahn-Schickard, REX Controls s.r.o., STACKFORCE GmbH, Západočeská univerzita v Plzni
Reifegrad: Forschung

Kontakt


Prof. Dr.-Ing. Axel Sikora
Hahn-Schickard,
Villingen-Schwenningen
Tel.: +49 7721 943-265
Axel.Sikora@Hahn-Schickard.de
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