Kommunikation und Bildverarbeitung in der Automation

Bereits heute werden industrielle Automatisierungsnetzwerke zusätzlich zur Übertragung von NRT-Verkehr verwendet. Dies liegt zum einen am hohen Kostendruck und zum anderen an der zunehmenden Verschmelzung der Ebenen der klassischen Automatisierungspyramide [1, 2]. Mit Blick auf Industrie 4.0 wird sich dieser Trend zukünftig noch weiter verstärken. Dies macht neben der Planung auch die Validierung der zu erwartenden Netzlast in großen Netzwerken erforderlich. Nach heutigem Stand existieren Lösungen, die detailliert IRT, RT und NRTVerkehr in einer Netzwerkzelle modellieren. Diese müssen daher um den zellenübergreifenden Netzwerkverkehr erweitert werden. Ziel der Arbeiten ist die Planung, Analyse, Überwachung und Steuerung industrieller Kommunikationsnetzwerke, um deren Betriebssicherheit garantieren zu können.

Die Inbetriebnahme von Automatisierungssystemen auf der Feldebene ist untrennbar mit einem hohen manuellen Konfigurationsaufwand verbunden: Feldgeräte müssen in die Steuerungsapplikation integriert werden und die zur Vernetzung zwischen Feld- und Steuerungsebene eingesetzten Kommunikationssysteme müssen parametriert werden. In der Informationstechnik gibt es ähnliche Problemstellungen: So müssen Peripheriegeräte über einen Kommunikationsbus an einen PC angeschlossen werden oder in einem Heimnetz verteilte Geräte müssen miteinander interagieren. Hierzu gibt es etablierte Ansätze wie USB oder UPnP, welche dem Endanwender ein “Plug&Play” bieten, sodass er sich im Idealfall mit keinerlei Konfigurationsarbeiten befassen muss. In diesem Beitrag wird untersucht, wie “Plug&Play” (PnP) im Bereich der Informationstechnik realisiert wird und ob und ggf. wie sich diese Mechanismen auf die Automatisierungstechnik übertragen lassen.

In this paper an investigation of the State of the Art of Industrial Wireless Sensor Networks (IWSNs) is performed. Therefore the given industrial requirements, different wireless communication protocols, the defined basic architecture and open research questions will be analysed. Furthermore, current challenges from the research domain will be discussed and a real use case of IWSNs from a research project in cooperation with a local industrial partner will be evaluated. To conclude this paper an outlook of further developments and possible future applications of IWSNs will be sketched.

Die Entwicklung der industriellen Kommunikation hat als Nachfolgetechnologie der Feldbustechnik über 20 Industrial Ethernet-Typen hervorgebracht. Mit PROFINET steht ein weit verbreitetes Protokoll zur Verfügung, das den Ethernet-Standard für die Prozessdatenübertragung nutzt. Bei PROFINET RT wird in Ethernet-Switches unabhängig von anderen Geräten über die Weiterleitung eines Frames entschieden. Die Weiterleitungsentscheidung wird vom Switch lokal auf Basis der Priorität des Frames durchgeführt. Bedingt durch eine hohe Netzwerkauslastung mit IP- Kommunikation kommt es zu unbestimmten Latenzzeiten über die gesamte Netzwerkstruktur. Diese entsteht durch Wartezeiten, welche durch das Queuing von Frames verursacht wird. Aktuell wird von der IEEE Time-Sensitive Networking (TSN) Task Group die Erweiterung des IEEE 802.1 Ethernet-Standards definiert, welcher die Echtzeitfähigkeit von Standard-Ethernet ermöglichen soll. In einer Evaluierung wird die Performance des IEEE 802.1Qbv Time-Aware Shapers in einer PROFINET-Umgebung ermittelt. Im Vergleich mit bisheriger Ethernet- Hardware wurde eine signifikante Verbesserung der Jitter Werte festgestellt. Die Versuche verdeutlichen allerdings auch einen zum jetzigen Zeitpunkt hohen Konfigurationsaufwand der TSN-Technologie. Weiterer Performance-Gewinn in Bezug auf erreichbare Latenzzeiten wird auch bei der Anpassung der Konfigurationen auf den jeweils spezifischen PROFINET Datenaustausch erwartet.

Web protocols are critical factor in successful implementation of web based industrial applications. Nevertheless, the main issue that significantly affects the real-time performance of such application is Web latency. Traditional web communication technologies, such as HTTP1.1, provide a uni-directional link and a request/ response message exchange model. This solution is not feasible in web based applications involving large number of different interconnected devices, such as Industrial Internet of things. In this paper, we focus on bi-directional web protocols WebSocket, WebRTC and HTTP/2.0. We compare the performance parameters like latency, reliability, and security of these three protocols. At the end of this paper, we will present some suggestions how to optimize the usage of web protocols in industrial process automation applications.

Die mit Industrie 4.0 einhergehende Dynamik erfordert flexible Sicherheitskonzepte und Netzwerkarchitekturen. Das Konzept Security by Delegation könnte einen Teil zukünftiger Sicherheitslösungen für Industrie 4.0 darstellen. Die Delegation von Sicherheitsfunktionalität an einen vertrauenswürdigen Stellvertreter reduziert den Ressourcenbedarf für den Einsatz sicherer Kommunikationsprotokolle und ermöglicht eine flexible, zentralisierte, Zugriffskontrolle. In diesem Beitrag wird eine Reihe von Delegationsverfahren vorgestellt und hinsichtlich ihrer konzeptionellen Eigenschaften untersucht. Weiterhin werden mögliche Anwendungsszenarien erörtert.

Das Thema „Industrie 4.0“ treibt die intelligente Vernetzung von Funkkommunikationssystemen für die Automatisierungstechnik stark voran. Somit ist zu erwarten, dass in Zukunft vermehrt industrielle Funkkommunikationssysteme für die Vernetzung von verteilten Automatisierungsanwendungen zum Einsatz kommen. Da die Ressourcen der verfügbaren Frequenzbänder schon heute sehr stark ausgelastet sind, werden in Zukunft vermehrt Funkkommunikationssysteme mit kognitiven Mediumszugangsalgorithmen zum Einsatz kommen.

Um die Funktionen und die Zuverlässigkeit der Funkkommunikationssysteme mit kognitiven Mediumszugangsalgorithmen für bestimmte Anforderungen der automatisierungstechnischen Anwendung nachzuweisen, sind Systemanalysen notwendig. Aus diesem Grund wird in diesem Beitrag ein Validierungskonzept für industrielle Funkkommunikationssysteme mit kognitiven Mediumszugangsalgorithmen vorgestellt. Es werden verschieden Validierungsszenarien vorgestellt, die verschiedene industrieübliche Mediumsnutzungen vorsehen (Funktechnologien, Medienbelegungen) und sich in der Dynamik der Mediumsnutzung unterscheiden. Bei der Validierung von kognitiven Mediumszugangsalgorithmen wird zwischen der Erfassung von freien und belegten Mediumsressourcen, dem sogenannten Sensing und dem Management des Funkkommunikationssystems mit kognitiven Mediumszugangsalgorithmen unterschieden. So wird beim Nachweis der Funktion und Grenzen des Sensings die Qualität der Analyse der Mediumsnutzung bewertet. Das hierfür entwickelte Validierungskonzept muss dafür geeignet sein, um Funkkommunikationssysteme mit zentralem oder dezentralem Sensing quantifiziert zu bewerten. Die Funktion des Managements von Funkkommunikationssystemen mit kognitiven Mediumszugangsalgorithmen muss ebenfalls nachgewiesen werden. Das vorgestellte Validierungskonzept soll geeignet sein, um quantitativ zu beurteilen, wie gut das Funkkommunikationssystem bestimmte Koexistenzszenarien beherrscht und durch welches Zeitverhalten die Verfahren gekennzeichnet sind. Zudem ist das Hard- und Softwarekonzept des erarbeiteten Testsystems für Validierungstest Bestandteil des Beitrages.

Neben hocheffizienten Regel- und Managementstrategien gewinnen im Bereich der Gebäudeautomation Szenarien wie Laststeuerung und -verteilung, Energierückgewinnung an Gebäuden, die als Verbraucher und Erzeuger von elektrischer Energie agieren, an Bedeutung. Dasselbe gilt für die Zustandsüberwachung zum Zweck der prädiktiven Wartung von Anlagen. All diesen Anwendungsfällen ist die Anforderung an ein gesammeltes und strukturiertes Wissen über das Gebäude selbst, den aktuellen Betriebszustand seiner technischen Ausrüstung, das Verhalten der Benutzer und externe Einflüsse gemein. Die Fragestellung nach der Umsetzbarkeit eines solchen Systems soll in diesem Beitrag anhand einer Wissensbasis, die nicht nur statische Informationen über die Gebäudetopologie und die Konfiguration von Automatisierungssystemen enthält, sondern auch auf das aktuelle Prozessabbild der Gebäudeautomation zugreifen, diese verarbeiten und beeinflussen kann, bearbeitet werden.

Die Kombination aus Flexibilität und Zuverlässigkeit gewinnt in vielen industriellen Anwendungen zunehmend an Bedeutung. Die geforderte zunehmende Flexibilität wird mit dem Trend der Integration von IT-Systemen in Produktionssysteme begegnet. Diese Verwendung von IT-Systemen reicht dabei von normalen Büro-PCs in der Fertigung bis hin zu Netzwerktechnologien, die seit Jahren im BüroUmfeld bekannt sind. Gerade diese Netzwerktechnologien erfüllen jedoch nicht immer die harten Anforderungen, wie sie von Regelungsprozessen gefordert werden. Der folgende Beitrag führt kurz in das Thema modellbasierte Steuerung ein und fasst prägnant die wichtigsten Eckpunkte der Implementierung einer modellbasierten Steuerung zusammen. Als Kern werden die Ergebnisse der Analyse des Ansatzes dargestellt. Weiterhin wird eine Metrik zur Charakterisierung von Regelstrecken aufgezeigt, für die die dargestellte Implementierung verwendet werden kann. Dabei wird auf konkrete Anforderungen und Einschränkungen an das gesamte System eingegangen. Den Abschluss bildet die Diskussion einer Kostenfunktion zur Unterstützung der Engineering-Prozesse.

Ethernet hat sich in der Automatisierungstechnik fest etabliert. Möglich wurde dies durch die enormen technischen Fortschritte und Erweiterungen wie die Erhöhung der Daten Rate, Full-Duplex Übertragung und der Einsatz von Switches. Trotzdem war das für manche Industrie-Anwendungen mit Echtzeit-Anforderungen immer noch nicht ausreichend. Daher mussten die Maschinen- und Anlagenhersteller das Standard Ethernet um Echtzeitfähigkeit erweitern. Dies hat dazu geführt, dass nicht IEEE-Standard konforme Lösungen „Industrial Ethernet“ (IE) entstanden sind, die sich gegenseitig ausschließen.

Der Time Sensitive Networking (TSN) ist eine IEEE Arbeitsgruppe, die eine Reihe von Kommunikationsmechanismen spezifiziert und zum ersten Mal ein IEEE Standard-Konformes zeitgesteuertes Senden von Datenpakete über Standard-Ethernet erlaubt.

Standard-konforme Systeme sind für die Industrie sehr attraktiv, da sie eine Investitionssicherheit sowie nachhaltige Lösungen garantieren. Es bleibt allerdings die Herausforderung für die Industrial Ethernet Organisationen ihre Protokolle mit den TSN-Standards ohne Technologiebruch zu kombinieren.

Am Beispiel von dem Industrial-Ethernet Protokoll Sercos III wird in dieser Veröffentlichung eine TSNbasierte Netzwerk-Struktur vorgestellt, die neue Topologien und kürzere Zykluszeiten ermöglicht ohne dabei das bestehende Sercos-System zu verändern. Damit wird auch eine Investitionssicherheit für die Hersteller garantiert.

Die klassische Automatisierungspyramide entwickelt sich immer mehr zu dezentralen Netzwerken mit direkter Maschine zu Maschine Kommunikation. Um den damit verbundenen Anforderungen gerecht zu werden, bietet sich OPC Unified Architecture (OPC-UA) als Kommunikationsstandard an. Dabei ist oft keine komplette Migration bestehender und bewährter Softwaresysteme gewünscht.

In diesem Beitrag ist ein Adapterschema als Entwurfsmuster mit unterschiedlichen Realisierungsformen beschrieben. Die Adaption nutzt Modelltransformationen auf verschiedenen Metaebenen, um Quellsysteme für OPCUA-Klienten zugänglich zu machen. Zudem wird eine generische Transformation von EMOF nach OPC-UA definiert und benutzt. Als Konzeptnachweis ist ein Adapterprototyp anhand eines parallel entwickelten Adaptionspfades realisiert und beschrieben.

Industrielle Netzwerke werden immer komplexer durch den Einsatz neuer Technologien wie Time Sensitive Networking (TSN). Die Anforderungen werden zudem verschärft durch sich ändernde gesetzliche Vorgaben wie z.B. bei Smart Grids. Planer solcher Netzwerke haben häufig spezifische Echtzeitanforderungen, Datenraten und Redundanzanforderungen zu beachten, deren Realisierung u.a. abhängig sind von der Leistungsfähigkeit und der Topologie des Netzwerkes. Designalternativen sollten daher quantitativ bewertbar sein, um individuelle Planungsaspekte erweiterbar sein und eine generelle Anwendbarkeit aufweisen. Da diese Kriterien aktuell von keinem verfügbaren Planungswerkzeug erfüllt werden, wurde in diesem Beitrag mit Hilfe von Matlab Simulink® ein generisches und skalierbares Modell von Netzwerkkomponenten erstellt. Diese Komponenten können parametriert und in einer anwendungsnahen Topologie kombiniert werden. Leistungsqualifizierende Parameter wie die Echtzeitfähigkeit, Auslastung der Komponenten, Ausfallsicherheit und die Topologie wurden zur Bewertung von Designszenarien eines beispielhaften Windparks herangezogen. Eine Erweiterung des Modells ermöglicht es darüberhinausgehend die Auswirkungen von zukünftigen Technologien, wie z.B. TSN zu analysieren.

Stationary radio channel modeling does not fulfill the harsh conditions of industrial wireless environments within shared license-free spectrum bands. Passive signal distortion caused by the frequency- and time-selective channel gain, and active interfering emissions have to be considered for reliable industrial coexistence validation.

In this paper, we derive the requirements for coexistence simulation of industrial wireless communication systems in harsh environments with discreteevent simulation. Further, we propose a suitable model which is based upon a measurement trace set for two-dimensional industrial radio channel emulation within discrete-event simulations. The computational efficiency of the approach is validated within a harsh factory automation (FA) use case with fast robot arm motion obstructing the line-of-sight of two IEEE 802.11 and two PNO WSAN-FA wireless communication systems (WCSs).

Seit 2012 wird in Deutschland an der Vision Industrie 4.0 gearbeitet. Als Zukunftsprojekt aus der High-Tech-Strategie 2020 der Bundesregierung wurde der Startschuss zur Erarbeitung von Umsetzungsempfehlungen gegeben, die Deutschland als Leitanbieter Cyberphysischer Systeme etabliert. Jährlich zur Hannover Messe werden seit dem Meilensteine rund um Industrie 4.0 zelebriert.

Für die Bestimmung von Bewegungsgeschwindigkeiten aus Bildserien existiert eine Vielzahl von Algorithmen. Diese werden jedoch meist auf Szenen angewendet, in welchen sich Objekte bewegen, deren Geometrie sich mit der Zeit nicht ändert. In dieser Arbeit werden Bildserien einer Fluidströmung in Form eines Gasgemisches aus Luft und Methan betrachtet. Die Herausforderung besteht dabei in der Änderung von Form, Größe und Orientierung der beobachtbaren Strukturen einer turbulenten Strömung. In dieser Arbeit werden verschiedene Verfahren zur Bestimmung des optischen Flusses auf Differenzbildserien einer Infrarotkamera zur Gasvisualisierung (sog. Gaskamera) angewendet. Die verwendeten Bildserien wurden mittels eines Laboraufbaus aufgenommen. Aus ihnen soll die räumlich und zeitlich gemittelte Strömungsgeschwindigkeit einer turbulenten Methan-Luft-Strömung bestimmt werden. Die Referenzmessung erfolgt mit einem Flügelrad-Anemometer im laminaren Strömungsbereich vor der Messzone.

Although more and more electronic payment options are available, the amount of transactions conducted by cash is increasing continuously in most countries. As cash transactions are essential for the global economy, this leads to demands for future electronic payment systems. An important aspect of such systems is that complex authentication algorithms run on cost-effective hardware. In previous work we established a prototypical low-cost demonstrator, which is able to handle image processing algorithms for banknote authentication. Based on the results the authentication of commercial raster printing is identified as a critical part in terms of overall evaluation time. Therefore, we propose a re-design of the authentication module. The module focuses on the detection of commercial offset printing by analysing an image to have periodic printing patterns. Without compromising the reliability of the authentication method, the re-design significantly reduces evaluation time.

Die modellgestützte Simulation stellt einen wichtigen Beitrag bei der Auslegung von optischen Messsystemsystemen und der Planung von Prüfungen dar. In dieser Arbeit wird ein neuer Simulationsansatz für Lasertriangulationssensoren vorgestellt, der mit einer sehr hohen Geschwindigkeit synthetische Messdaten erzeugen kann. Die Messdaten werden physikalisch korrekt erzeugt und können durch schnelle Filterverfahren realitätsnah ausgedünnt werden. Das neue Verfahren arbeitet CAD-modellbasiert vollständig auf der GPU und erzeugt im Gegensatz zu bisherigen Methoden direkt virtuelle 3-D-Messpunkte ohne dabei ein Kamerabild zu rendern.

This paper presents an acceleration method for an image processing algorithm from the RADIO EU project. The algorithm was profiled and the compute intensive tasks were then mapped on programmable hardware. The accelerator design was done with Vivado HLS. The accelerator implements the image processing algorithm as OpenCL kernel and optimizes its performance based on the analysis of the generated hardware. However, the OpenCL code does not reach acceptable speedups when implemented as is. For better performance, several optimizations steps have to be exceuted. The results show that software generated as hardware on programmable hardware can reach a speedup of up to 1.32. For this, further knowledge of the underlying hardware is required.

In many cases, medical research observes the behavior of animals under various conditions, such as medication or surgery. Research on experimental treatments of Parkinson’s disease often use the hemiparkinsonian rat model and drug induced rotation tests. These tests monitor how often and in which frequency rats spin around their own center under the influence of apomorphine or amphetamine. Normally, the monitoring system consists of a thin wire and an external rotary encoder. This experimental setup imposes significant stress on the subjects, and suffers from very limited resolution in time. The present paper investigates the utility of state-of-the-art embedded systems as a core of a vision based monitoring systems. It turns out that low-cost platforms, such as the Raspberry Pi, work well in this application field. However, the chosen approach behaves sensitive to technical parameters, such as the chosen colors, the ambient light condition, and the subject’s fur.

Quality assurance in the web processing industry is based on image processing in automatization, since a running web cannot be monitored and controlled sufficiently with the bare eye. Therefore, the greatest improvement potential is found for a cross-linking of all quality ensuring systems, in combination with a machine interface, along the whole value chain.

In dieser anwendungsorientierten Arbeit wird einf ührend auf den Prozess zur Herstellung von Glasspritzen eingegangen. Anschlie ÿend wird ein im Hause entwickeltes Kamerasystem zur prozessintegrierten Inspektion geometrischer und kosmetischer Parameter vorgestellt. Es folgt ein Beispiel zur Identifizierung von Einflussfaktoren mittels Analyse der Inspektionsergebnisse.

Die Robotertechnik findet für viele Aufgaben in der Industrie selbstverständlichen Einsatz. Für diese Aufgaben werden die Roboter geteacht. Dafür müssen die zu bearbeitenden Bauteile sowohl geringe Toleranzen, als auch eine hohe Positioniergenauigkeit vorweisen. Bei kleineren Bauteilen, wie beispielsweise in der Automobilindustrie, kann diese Genauigkeit durch Einspannvorrichtungen erreicht werden.

In der Bauindustrie sollen Robotersysteme ebenfalls mehr Anwendung finden, um die Verarbeitung zu beschleunigen und die Herstellungskosten zu minimieren. Die üblichen Toleranzen liegen hier allerdings im Zentimeterbereich. Daher setzt der Roboter-Einsatz Selbstkorrektur-Strategien voraus, welche mit geeigneten Sensoren und parametrisierbaren Prüfprogrammen die Abweichungen identifizieren.

Die Abweichungen gegenüber den CAD-Daten können mit den beschränkten Möglichkeiten von Systemen zur Selbstkorrektur nur vereinfacht abgebildet werden. Daher kommt es zu Schweißnähten, die keine Qualität hoher Güte aufweisen. Die Aufarbeitung von Ausschussteilen erfordert manuelle und kostenintensive Reparaturarbeiten. Aus diesem Kontext ergibt sich ein Handlungsbedarf, bestehende Selbstkorrektur-Strategien zu optimieren.

Die vorliegende Arbeit beschreibt das Konzept einer CAD-basierten Korrekturstrategie, welche eine höhere Genauigkeit bietet als die bisher eingesetzten Systeme. Mit einer am Roboter montierten optischen 3D-Sensorik kann die äußere Form des zu schweißenden Bauteils ermittelt, und anschließend auf die CAD-Daten projiziert werden. Eine selektive Form des CAD-Messdaten-Vergleichs minimiert den Einfluss von störenden Einspannvorrichtungen und erhöht die Genauigkeit der ermittelten Korrekturen. Gegenüber der merkmalbasierten Selbstkorrektur sinkt der Aufwand zum Parametrisieren des Prüfprogramms und Teachen des Roboters deutlich.

Im Rahmen eines Projekts im Spitzencluster intelligente technische Systeme Ostwestfalen- Lippe konnte die Integration einer 3D-Sensorik am Schweißroboter evaluiert werden.