Einsatzmöglichkeiten funkbasierter Datenübertragung in industriellen Kommunikationssystemen für Anwendungen mit Echtzeitanforderungen auf der Feldebene der Fertigungsautomatisierung
Mit einem laut statistischen Bundesamte erzielten Jahresumsatz von über 220 Milliarden Euro im Jahr 2019 bildet der Maschinenbau das Rückgrat der deutschen Wirtschaft, dessen führende Marktposition nur durch kontinuierliche Innovation gehalten werden kann. In diesem Sinne hat sich der Einsatz von Funktechnik in industriellen Kommunikationssystemen in Teilbereichen der Automatisierungstechnik wie der Prozess- und Gebäudeautomatisierung bereits als fruchtbare Innovationsquelle bewährt.
Im Teilbereich der Fertigungsautomatisierung hingegen stellen echtzeitkritische Anwendungen auf der Feldebene derart hohe Anforderungen an ihre industriellen Kommunikationssysteme, dass neue Lösungsansätze erforderlich sind. Dem begegnet diese Arbeit mit dem Konzept eines hybriden industriellen Kommunikationssystems, das die Anforderungen echtzeitkritischer Anwendungen systematisch in den Blick nimmt und in die Auslegung eines ganzheitlichen Ansatzes überführt.
Als Lösungsmöglichkeit wird eine Industrial-Ethernet-Brücke präsentiert, die funkbasierte und drahtgebundene Komponenten enthält, die sich bei Inbetriebnahme einer Maschine flexibel konfigurieren und nahtlos mit Altgeräten kombinieren lassen. Die Analyse des Mobilitätsverhaltens für industrielle Maschinen zeigt, dass sich typischerweise wenige Maschinenteile relativ zueinander bewegen; nur für diese bietet die Anbindung per Funk echten Mehrwert. So reicht eine einzelne Funkverbindung im Fallbeispiel einer Rundtaktmaschine, um die Wirksamkeit des hybriden Systems mittels eines Demonstrators mit IEEE-802.11-basierten off-the-shelf Funkkomponenten nachzuweisen. Die Grenzen dieses Ansatzes werden in einer Simulationsstudie am Beispiel einer Verpackungsmaschine aufgezeigt. Dabei werden in der Wirkweise des Medienzugriffs von LTE die idealtypischen Eigenschaften für echtzeitkritische Anwendungen identifiziert.
Generell stehen mit 3GPP Release 16 und privaten 5G-Campusnetzen potente Mobilfunkalternativen bereit, die explizit auch industrielle Anwendungen adressieren. Solange Maschinenbauer jedoch organisatorische Fragen um Frequenzvergaben und ihre Unabhängigkeit bei der Nutzung von privaten Campusnetzen nicht zufriedenstellend geklärt sehen, setzen sie zur Wahrung ihrer wirtschaftlichen Interessen weiterhin bevorzugt auf Funktechnologien in den freien ISM-Bändern. Unabhängig von der Wahl einer konkreten Funktechnologie trägt das Konzept des in dieser Arbeit entwickelten hybriden industriellen Kommunikationssystems.
With an annual revenue of ca. 220 billion euros in 2019 the machine building industry represents the backbone of German industry. Continuous innovation has been a key driver for maintaining this leading market position. For this purpose, the use of wireless technologies in industrial communication has already proven to be a fruitful source of innovation, particularly in process automation. However, certain limitations in traditional approaches exist.
The field level of factory automation comprises real-time critical applications with transmission latencies in the range of a few milliseconds, which is where existing wireless solutions fall short and novel approaches are necessary. Hence, this thesis proposes the concept of a hybrid industrial communication system, which systematically transforms application requirements into the design of a wholistic communication scheme.
As a solution this thesis presents an Industrial-Ethernet-Bridge composed of wired and wireless components, which can be flexibly configured and seamlessly connected to legacy field devices during the commissioning of industrial machines. Analyzing the mobility behavior of such machines shows only few machine parts are typically moving relative to each other; only for these the use of wireless technologies creates added value. E.g., a single wireless connection is possible to implement in a round table machine and the prototype implementation shows the feasibility and effectiveness of the hybrid system approach with off-the-shelf IEEE 802.11 chipsets. The limitations of the off-the-shelf approach together with proprietary extensions are first examined with a use case of a packaging machine and secondarily by means of a simulation study. In this context, mobile communication standards such as LTE are identified as de-facto ideal typical medium access schemes for real-time critical industrial applications.
Moreover, 3GPP Release 16 and its private 5G campus networks represent powerful options explicitly addressing industrial applications. As long as regulatory questions on spectrum allocation and customer's autonomy when operating 5G campus networks are not satisfactorily solved, medium-sized customers such as machine builders prefer wireless technologies in the license free ISM bands to protect their economic interests. Finally, the wholistic concept of a hybrid industrial communication system as proposed with this thesis holds regardless of the concrete wireless technology deployed.
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