Zeitbehandlung und Multimedia-Unterstützung in Feldkommunikationssystemen

dc.contributorFeldmann, Klaus
dc.contributorHerzog, U.
dc.contributor.advisorFeldmann, Klaus
dc.contributor.authorSolvie, Michael
dc.contributor.editorGeiger, Manfred
dc.contributor.editorFeldmann, Klaus
dc.date.accessioned2020-08-25
dc.date.available2020-08-24
dc.date.created1996
dc.date.issued2020-08-25
dc.description.abstractThe development of control technology is characterized by the decentralization of functions that are made possible by developments in microelectronics with the availability of inexpensive and powerful components to provide processing capacity. The division of the entire functionality, which is necessary to control a technical process, leads to the creation of partially autonomous units which, by performing their functions in cooperation, contribute to the fulfilment of the overall task. This requires coordination of the individual functional units, which must be carried out via the communication system to keep pace with the technical process. As a result, the relevant requirements presented in this work are placed on the communication system to be used. Despite extensive use of computers, humans remain indispensable, at least as a controlling body. In this regard, the provision of the information required to be able to infer the state of the technical process is an essential component of operating and monitoring technology, which is becoming the driving factor in the use of multimedia technology in the process-related areas of computer-integrated production Has. The availability of visual and auditory information, which is tapped directly from the process and transmitted to the system operator in real time, makes it easier for the operator to recognize faults that are imminent or have occurred, but can also e.g. be of great importance in the area of quality assurance and diagnosis. The availability of all of this information in digital form also enables remote diagnostics with little effort and thus access to expert knowledge that is not available on site. When defining the requirements, the development towards the use of multimedia applications was taken into account in such a way that the integration of the control of the recording systems, e.g. positionable cameras or microphones, and the provision of adequate communication mechanisms for the exchange of data units belonging to continuous data streams and for the synchronization of such data streams have been included in the catalog of requirements. The characteristics of field communication systems, the properties of the coding methods and the requirements of the applications represent the essential factors in the motivation of the set of suitable methods for coding. The evaluation of the field communication systems PROFIBUS and FIP standardized in Europe leads to the result that these only partially and - in summary - meet the presented requirements to an insufficient extent. Despite the essentially the same intended application area, both systems have strengths and weaknesses due to their fundamentally different system concepts in different areas. The OLCHFA system can be viewed as an attempt to develop an existing system conceptually and also in its implementation. The underlying project was, among other things, to expand the FIP system by a synchronized time and - based on the time information thus available - to expand the mechanisms for handling time-bound data. The resulting concepts were validated in an implementation. The problem of configuring such complex systems came to light. With the help of adapted tools, it was possible to show, for example, how mechanisms of the time synchronization, the timing of data and the handling of events to be performed by the communication system can be configured in a user-friendly and comfortable manner. The integration of multimedia data exchange was carried out using the example of the PROFIBUS system while accepting the expected restrictions. The transmission of still images as discrete media and of video and audio data streams as continuous media was realized, which e.g. can be used for operator control and monitoring applications. In view of the results of the analysis of existing systems and the results of their expansion and use, it became clear that the complete fulfilment of the requirements requires that they be taken into account as early as the concept phase for a field communication system. Based on a clocked transmission system as the basis of a new, low-cost synchronization process for distributed clocks and with a corresponding media access process, mechanisms of the distributed database, message-oriented communication and the exchange of multimedia data streams are defined in the presented OSIRIS system. The protocols of the data link layer, in cooperation with the central station of the system, the bus head end, handle all the actions autonomously, which relate to the periodic exchange of information - of whatever type. This relieves the logs of the application layer and also the applications. Real-time requirements for communication services are taken into account for both periodic and aperiodic requirements of the application. In the application layer of OSIRIS, RTSIMS is the first protocol to be defined that offers convenient services for controlling manufacturing devices and recording systems for multimedia data streams and discrete media. A new, largely transparent integration of the communication models for the exchange of data via the distributed database and message-oriented communication takes place in the field of field communication systems. The required multi-point communication for the exchange of multimedia data by means of periodic transmission services is taken into account as well as the mutual exclusion when accessing essential control functions of the recording devices. The communication functionality for the exchange of user data between applications for the control and monitoring of technical processes is supplemented by a defined system management, which among other things allows a dynamic reconfiguration of the system and the synchronization of the distributed clocks. With the envisaged complete implementation of the new OSIRIS system presented in this work, a field communication system is available for the process-related area of computer-integrated manufacturing that meets all requirements for support for autonomy and real-time communication for process control and support for multimedia applications, e.g. for operating and monitoring technical processes, is far better suited than the systems available today. However, individual components, in particular the RTSIMS protocol of the application layer or parts thereof, can also be mapped to other field communication systems and used in innovative control concepts. When the work on the implementation of the system is continued, the automatic generation of protocol software from the formal specification of the protocol and the subsequent quantitative consideration of the performance features achieved are interesting additions to the present work.en
dc.description.abstractDie Entwicklung der Steuerungstechnik steht unter dem Zeichen der Dezentralisierung von Funktionen, die durch die Entwicklungen in der Mikroelektronik mit der Verfügbarkeit preiswerter und leistungsfähiger Komponenten zur Erbringung von Verarbeitungskapazität ermöglicht werden. Die Aufteilung der gesamten Funktionalität, die zur Steuerung eines technischen Prozesses notwendig ist, führt zu der Schaffung von teilweise autonomen Einheiten, die durch Erbringung ihrer Funktionen im Zusammenwirken zur Erfüllung der Gesamtaufgabe beitragen. Dazu ist eine Koordination der einzelnen funktionalen Einheiten notwendig, die über das Kommunikationssystem schritthaltend mit dem Ablauf des technischen Prozesses erbracht werden muß. An das einzusetzende Kommunikationssystem stellen sich dadurch die in dieser Arbeit dargestellten diesbezüglichen Anforderungen. Trotz umfangreichen Rechnereinsatzes bleibt der Mensch zumindest als kontrollierende Instanz unabdingbar. Diesbezüglich ist die Bereitstellung der Informationen, die benötigt werden, um auf den Zustand des technischen Prozesses schließen zu können, eine wesentliche Komponente der Bedien- und Beobachtungstechnologie, die sich zum treibenden Faktor des Einsatzes von Multimedia-Technologie in den prozeßnahen Bereichen der rechnerintegrierten Fertigung entwickelt hat. Die Verfügbarkeit von visueller und auditiver Information, die direkt aus dem Prozeß abgegriffen und in Echtzeit an den Anlagenbediener übertragen wird, erleichtert diesem die frühzeitige und richtige Erkennung von sich anbahnenden oder bereits eingetretenen Störungen, kann aber auch z.B. im Bereich der Qualitätssicherung und der Diagnose von großer Bedeutung sein. Ein Vorliegen all dieser Informationen in digitaler Form ermöglicht auch die aufwandsarme Ferndiagnose und damit den Zugriff auf vor Ort nicht verfügbares Expertenwissen. Bei der Definition der Anforderungen wurde die Entwicklung in Richtung des Einsatzes von Multimedia-Applikationen dahingehend berücksichtigt, daß die Integration der Steuerung der Aufnahmesysteme, z.B. positionierbare Kameras oder Mikrofone, und die Bereitstellung adäquater Kommunikationsmechanismen zum Austausch von zu kontinuierlichen Datenströmen gehörenden Dateneinheiten und zur Synchronisation von derartigen Datenströmen in den Forderungskatalog aufgenommen wurden. Die Charakteristik von Feldkommunikationssystemen, die Eigenschaften der Kodierungsverfahren und die Anforderungen der Anwendungen stellen dabei die wesentlichen Faktoren bei der durchgeführten Motivation der Menge geeigneter Verfahren für die Kodierung dar. Die Bewertung der im europäischen Raum standardisierten Feldkommunikationssysteme PROFIBUS und FIP führt zu dem Ergebnis, daß diese die dargestellten Anforderungen nur teilweise und - zusammenfassend betrachtet - in einem nicht ausreichendem Maß erfüllen. Beide Systeme weisen, trotz des im wesentlichen gleichen anvisierten Anwendungsbereichs, aufgrund ihrer grundlegend verschiedenen Systemkonzepte in unterschiedlichen Bereichen Stärken und Schwächen auf. Als Versuch, ein vorhandenes System konzeptionell und auch in dessen Implementierung weiter zu entwickeln, kann das OLCHFA-System betrachtet werden. In dem zugrundeliegenden Projekt ging es unter anderem darum, das FIP-System um eine synchronisierte Uhrzeit und - auf Basis der damit verfügbaren Zeitinformationen - um die Mechanismen zur Behandlung zeitbehafteter Daten zu erweitern. Die entstandenen Konzepte wurden in einer Implementierung validiert. Dabei trat die Problematik der Konfigurierung derartig komplexer Systeme deutlich zu Tage. Hier konnte durch angepaßte Werkzeuge beispielhaft gezeigt werden, wie Mechanismen der Uhrzeitsynchronisation, der Zeitbehaftung von Daten und der durch das Kommunikationssystem vorzunehmenden Behandlung von Ereignissen bedienerfreundlich und komfortabel konfiguriert werden können. Die Integration von Multimedia-Datenaustausch wurde am Beispiel des PROFIBUS-Systems unter Inkaufnahme der zu erwartenden Beschränkungen durchgeführt. Dabei wurde die Übertragung von Standbildern als diskrete Medien und von Video- und Audiodatenströmen als kontinuierliche Medien realisiert, die z.B. für Applikationen des Bedienens und Beobachtens genutzt werden können. Es wurde in Anbetracht der bei der Analyse vorhandener Systeme und der bei deren Erweiterung und Nutzung erzielten Ergebnisse deutlich, daß eine vollständige Erfüllung der aufgestellten Anforderungen deren Berücksichtigung bereits in der Phase der Konzepterstellung für ein Feldkommunikationssystem verlangt. Aufbauend auf einem getakteten Übertragungssystem als Basis eines neuen, aufwandsarmen Synchronisationsverfahrens für verteilte Uhren und mit einem entsprechenden Medienzugriffsverfahren werden in dem vorgestellten System OSIRIS Mechanismen der verteilten Datenbasis, der nachrichtenorientierten Kommunikation und des Austausches von Multimedia-Datenströmen definiert. Die Protokolle der Sicherungsschicht wickeln dabei in Kooperation mit der zentralen Station des Systems, der Buskopfstation, alle die Aktionen autonom ab, die den periodischen Austausch von Informationen - gleich welchen Typs - betreffen. Damit wird eine Entlastung der Protokolle der Anwendungsschicht und auch der Anwendungen erreicht. Die Berücksichtigung von Echtzeitanforderungen an Kommunikationsdienste ist dabei sowohl für periodisch als auch für aperiodisch anfallende Anforderungen der Anwendung gegeben. In der Anwendungsschicht von OSIRIS ist mit RTSIMS erstmals ein Protokoll definiert, das komfortable Dienste zur Steuerung von Fertigungsgeräten und Aufnahmesystemen für multimediale Datenströme und diskrete Medien anbietet. Dabei findet eine im Bereich der Feldkommunikationssysteme neue, für den Benutzer weitgehend transparente Integration der Kommunikationsmodelle des Austausches von Daten über die verteilte Datenbasis und der nachrichtenorientierten Kommunikation statt. Die geforderte Mehrpunktkommunikation für den Austausch von Multimedia-Daten mittels periodischer Übertragungsdienste wird ebenso berücksichtigt, wie der gegenseitige Ausschluß beim Zugriff auf wesentliche Steuerungsfunktionen der Aufnahmegeräte. Die Kommunikationsfunktionalität zum Austausch von Nutzdaten zwischen Anwendungen zur Steuerung und Überwachung technischer Prozesse wird durch ein definiertes Systemmanagement ergänzt, das unter anderem eine dynamische Rekonfigurierung des Systems und die Synchronisation der verteilten Uhren zuläßt. Mit der anvisierten vollständigen Realisierung des in dieser Arbeit neu vorgestellten Systems OSIRIS steht für den prozeßnahen Bereich der rechnerintegrierten Fertigung ein Feldkommunikationssystem zur Verfügung, daß allen Anforderungen nach Unterstützung von Autonomie und Echtzeitkommunikation für die Prozeßsteuerung und der Unterstützung für multimediale Applikationen, z.B. für das Bedienen und Beobachten technischer Prozesse, weitaus besser gerecht wird, als die heute verfügbaren Systeme. Aber auch einzelne Bestandteile, insbesondere das Protokoll RTSIMS der Anwendungsschicht oder Teile davon, lassen sich in aufbauenden Arbeiten auf andere Feldkommunikationssysteme abbilden und in innovativen Steuerungskonzepten einsetzen. Bei der Fortsetzung der Arbeiten bezüglich der Realisierung des Systems stellen auch die automatische Generierung von Protokollsoftware aus der formalen Spezifikation des Protokolls und die anschließende quantitative Betrachtung der erreichten Leistungsmerkmale interessante Ergänzungen zu der vorliegenden Arbeit dar.de
dc.format.extent200 Seiten, 87 Bilder, 35 Tabellen
dc.identifier.doihttps://doi.org/10.25593/3-446-18607-7
dc.identifier.isbn3-446-18607-7
dc.identifier.opus-id14464
dc.identifier.urihttps://open.fau.de/handle/openfau/14464
dc.identifier.urnurn:nbn:de:bvb:29-opus4-144647
dc.language.isode
dc.publisherCarl Hanser
dc.rights.urihttps://creativecommons.org/licenses/by-nc/4.0/deed.de
dc.subject.ddcDDC Classification::6 Technik, Medizin, angewandte Wissenschaften :: 60 Technik :: 600 Technik, Technologie
dc.subject.ddcDDC Classification::6 Technik, Medizin, angewandte Wissenschaften :: 62 Ingenieurwissenschaften :: 620 Ingenieurwissenschaften und zugeordnete Tätigkeiten
dc.titleZeitbehandlung und Multimedia-Unterstützung in Feldkommunikationssystemende
dc.typedoctoralthesis
dcterms.publisherFriedrich-Alexander-Universität Erlangen-Nürnberg (FAU)
local.date.accepted1995-09-18
local.notesOpusNach Rechteübertragung des Meisenbach-Verlags auf die FAU digitalisiert und online gestellt durch Geschäftsstelle Maschinenbau und Universitätsbibliothek der FAU im Jahr 2020. Koordination der Reihe: Dr.-Ing. Oliver Kreis. Für weitere Informationen zur Gesamtreihe siehe https://mb.fau.de/diss
local.publisherplaceMünchen ; Wien
local.sendToDnbfree*
local.series.id32
local.series.nameFertigungstechnik - Erlangen
local.series.number52
local.subject.fakultaetTechnische Fakultät / Department Maschinenbau
local.subject.fakultaetTechnische Fakultät / Department Maschinenbau / Lehrstuhl für Fertigungsautomatisierung und Produktionssystematik (FAPS)
local.subject.gndIngenieurwissenschaften
local.subject.gndMaschinenbau
local.subject.gndProduktionstechnik
local.thesis.grantorFriedrich-Alexander-Universität Erlangen-Nürnberg (FAU) Technische Fakultät
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Diss. Reihe Fertigungstechnik, Band 52
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