Wandelbare, echtzeitfähige Kommunikationsinfrastruktur für Cyber-Physische Produktionssysteme

Abstract

Heutzutage agieren Unternehmen in einem immer volatileren Umfeld mit einem unmittelbaren Einfluss auf die Produktionssysteme. Um die Wandelbarkeit von zukünftigen Produktionssystemen zu verbessern wird daher eine Automation basierend auf Cyber-Physischen Systemen (CPS) angestrebt. Diese CPS-basierte Automation zeichnet sich durch eine einheitliche, wandelbare und echtzeitfähige Kommunikationsinfrastruktur aus. Stand heute existieren verschiedene Lösungsansätze mit unterschiedlichen Technologien zur Etablierung einer echtzeitfähigen Kommunikationsinfrastruktur. Diese Lösungen erfüllen allerdings die Anforderungen an eine zukünftige Kommunikationsinfrastruktur nur teilweise und stellen daher keine ganzheitliche Lösung dar. Insbesondere der Aspekt der Wandelbarkeit mit einer dynamischen Konfiguration von Echtzeitverbindungen zur Laufzeit wird heutzutage nur bedingt unterstützt. Dadurch wird die Vision einer CPS-basierten Automation und die Wandelbarkeit von zukünftigen Produktionssystemen allgemein eingeschränkt. Als Grundlage für eine CPS-basierte Automation wird in dieser Arbeit eine wandelbare, echtzeitfähige Kommunikationsinfrastruktur für zukünftige Produktionssysteme vorgestellt. Diese Kommunikationsinfrastruktur ermöglicht eine deterministische Kommunikation mit geringer Latenz und erfüllt die harten Echtzeitanforderungen in Produktionssystemen. Gleichzeitig wird die dynamische Konfiguration von Echtzeitverbindungen zur Laufzeit ermöglicht. Mit dem Fokus auf einer ganzheitlichen Lösung basiert die vorgestellte Kommunikationsinfrastruktur auf den drei wesentlichen Aspekten: Echtzeitkommunikation, Parametrierung und Netzwerkkonfiguration. Die Echtzeitkommunikation basiert auf der neuen IEEE Technologie Time-Sensitive Networking (TSN, IEEE 802.1). TSN ermöglicht eine einheitliche, herstellerunabhängige Kommunikationsbasis für den echtzeitkritischen und bestmöglichen Datenverkehr im Netzwerk. Dazu werden die erforderlichen TSN Mechanismen in die echtzeitfähigen Assets integriert und in einem TSN SDK (Software Development Kit) zusammengefasst. Zur einheitlichen Parametrierung der Echtzeitkommunikation wird das Konzept der echtzeitfähigen I4.0 Komponente vorgestellt. Das neue Konzept beschreibt ein echtzeitfähiges Asset mit einer sogenannten Verwaltungsschale, d.h. einer virtuellen digitalen Repräsentanz des Assets. Diese Verwaltungsschale spezifiziert die individuellen Fähigkeiten des Assets und beinhaltet zusätzliche Konfigurationsparameter für die Echtzeitkommunikation. Zur automatischen Konfiguration der Echtzeitverbindungen im Netzwerk wird ein zentraler SDN (Software-defined Networking) Controller erweitert. Dieser Controller etabliert dynamische, redundante und komplexe TSN Verbindungen zwischen verschiedenen echtzeitfähigen Assets zur Laufzeit. Dabei werden sowohl die TSN Switches in der Netzwerkinfrastruktur als auch die echtzeitfähigen Assets konfiguriert. Schließlich wird die Machbarkeit der neuen wandelbaren, echtzeitfähigen Kommunikationsinfrastruktur durch eine prototypische Implementierung gezeigt. Darauf aufbauend wird die Performance des neuen TSN SDKs evaluiert und die Integration ins Engineering beschrieben.

Nowadays, manufacturing companies operate in a more and more volatile environment with immediate consequences for the production systems. Therefore, future production systems have to become more advanced in terms of reconfigurability. Within the context of the fourth industrial revolution an automation based on cyber-physical systems (CPS) is striven for. This CPS-based automation is characterized by a uniform, reconfigurable, and real-time capable communication infrastructure. As of today, there are different technologies to establish a real-time capable communication infrastructure. However, the existing approaches only partially fulfill the future requirements and do not provide a holistic solution. In particular, the dynamic configuration of real-time connections during runtime is only supported to some degree. Thus, the vision of a CPS-based automation and the reconfigurability of future production systems in general is limited. This doctoral thesis contributes towards the goal of a CPS-based automation. More precisely, a reconfigurable and real-time capable communication infrastructure for future production systems is introduced. The presented approach enables a deterministic communication with bounded low-latency and satisfies the hard real-time requirements within production systems. Simultaneously, it enables the dynamic configuration of real-time connections during runtime. With the focus on a holistic solution the presented approach is separated into three main aspects: real-time communication, asset parameterization, and network configuration. The real-time communication is based on the new IEEE technology Time-Sensitive Networking (TSN, IEEE 802.1). TSN yields as single vendor-independent communication basis for realtime as well as best-effort traffic within the same network. The required TSN mechanisms are integrated into real-time assets and summarized within a TSN SDK (Software Development Kit). To enable a consistent parameterization of the real-time communication, the concept of realtime I4.0 components is introduced. This concept describes real-time assets with a so-called asset administration shell, i.e. a standardized virtual representation of the asset’s capabilities. This asset administration shell contains the individual capabilities as well as additional parameters to establish a real-time communication with others. To enable an automatic network configuration, a central SDN (Software-defined Networking) controller is extended. This controller establishes dynamic, redundant, and complex TSN connections between multiple real-time assets during runtime. Thereby, it configures the TSN switches in the network infrastructure as well as the real-time assets in the production system. Finally, the feasibility of the presented approach is shown. Therefore, the reconfigurable and real-time capable communication infrastructure is prototypically implemented and the performance of the newly introduced TSN SDK is evaluated. Moreover, the seamless integration into an existing engineering method is described.