Wireless Sensor Network (WSN) basiertes Regelungssystem auf Basis des SoA-Konzepts unter Einhaltung redundanter Ausfallsicherheit

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1 Wireless Sensor Network (WSN) basiertes Regelungssystem auf Basis des SoA-Konzepts unter Einhaltung redundanter Ausfallsicherheit B.Eng. Thomas Ahrens, B.Eng. Carsten Boerma Prof. Dr.-Ing. Armando Walter Colombo, Prof. Dr. rer.nat. Gerhard Kreutz Hochschule Emden/Leer Kontakt: Abstract Im Rahmen einer Projektarbeit im Masterstudium Industrial Informatics an der Hochschule Emden/Leer wurde ein funkbasiertes Regelungssystem (WSN) auf Basis des SoA-Konzepts entwickelt. Die Realisierung dieses Prototyps erfolgte über den Funkstandard ZigBee (IEEE ) und besteht aus insgesamt vier Netzwerkknoten. Diese gliedern sich in drei Hauptknoten (Überwachung, Ansteuerung, Regelung) und einen redundanten Knoten, auf dem die Regler-Funktion bei Bedarf ausgelagert werden kann. Jeder dieser Knoten bietet seine Funktionen dem Netzwerk als Services an, die wiederum von anderen Netzwerkteilnehmern beansprucht werden können. Auf dieser Grundlage wurde ein redundantes, hochverfügbares Regelungssystem entwickelt, dass die verteilte Regelung verschiedener physikalischer Größen im industriellen Umfeld ermöglicht. Beschreibung Wie in der Abbildung 1 dargestellt, bilden die Komponenten des Regelungssystems die Hauptknoten eines WS-Netzwerks. Diese Knoten realisieren die Grundfunktionen der Regelung und beinhalten jeweils separate Regelfunktionen die als Services im Netzwerk angeboten bzw. verwenden werden. Abbildung 1: Verteilte Regelung durch Aufteilen der Regelkomponenten Der Sensor-Node übernimmt dabei die Abfrage und Überwachung der Regelgrößen und überträgt diese eventbasiert an den Control-Node. Zusätzlich werden auch die Sollwerte eingelesen und mit übertragen. Auf dem Control-Node ist der Regler implementiert, der durch einen Soll/Ist-Vergleich eine Stellgröße generiert, die anschließend an den Actuator-Node übertragen wird. Der Actuator-Node übernimmt dann das Ansteuern der Aktoren um die Regelgröße zu beeinflussen. Jeder Netzwerkknoten übernimmt also eine bestimmte Teilfunktion der Regelung und fungiert als Service-Anbieter bzw. Service-Konsumer. Die Bekanntmachung des Services im Netzwerk erfolgt durch das Aussenden einer Serviceanfrage per Broadcast an alle verfügbaren Netzwerkteilnehmer. Jeder Knoten, der diese Anfrage empfängt, sendet Informationen über seinen jeweiligen Service an den anfragenden Knoten zurück. Durch diesen automatisierten Informationsaustausch kann jeder Netzwerkknoten eigenständig seinen Kommunikationspartner ermitteln. Dieser Vorgang hat den Vorteil, dass sich das Netzwerk autonom aufbaut, 1/2

2 d.h., das Regelungssystem organisiert sich selbst. Es sind dadurch keine Adresskonfigurationen in den Knoten notwendig. Jeder Knoten muss lediglich den benötigten Service kennen, den dieser zur Abarbeitung seiner Funktion benötigt, und anschließend diesen Service im Netzwerk anfragen. Bemerkung: Diese Vorgehensweise folgt dem SoA- Grundprinzip zur Implementierung eines WSNs in der Regelungstechnik Ein weiterer, redundanter Netzwerkknoten (Abbildung 1) dient der Realisierung eines hochverfügbaren Regelungssystems. Das bedeutet, dass ein Fehler innerhalb des Systems, z.b. durch Ausfall eines Knotens oder durch das Überschreiten der physikalischen Reichweite eines Regler-Knotens, keinen Ausfall des Gesamtsystems zur Folge hat. Diese Eigenschaft wurde durch die Implementation eines Monitoring-Systems umgesetzt. Dadurch ist die Überwachung eines beliebigen Netzwerkknotens realisierbar. In diesem System wird der Control-Node auf einen möglichen Ausfall überwacht. Sollte dieser Knoten aus beliebigen Gründen einen Fehler aufweisen, so wird dieser über das Monitoring erkannt. Anschließend sorgt ein Diagnostic-Service für das Einleiten einer bestimmten Notfallstrategie, um z.b. die Reglerfunktion auf den redundanten Knoten auszulagern und diesen dann an der Regelung zu beteiligen (roter Pfad in der Abbildung 2). Zusätzlich sorgt das Monitoring-System auch für ein automatisches Zurücklagern der Reglerfunktion, sofern der Control-Node nach einem Ausfall wieder fehlerfrei arbeitet (grüner Pfad in der Abbildung 2). Abbildung 2: Realisierung der Systemsicherheit durch ein Monitoring-System Um einen Fehler auf dem Control-Node zu erkennen, wird über das Monitoring-System vor jeder Datenübertragung eine Statusabfrage durchgeführt. Fällt diese Abfrage positiv aus, so gibt der Monitor das Senden eines Datenpaketes frei. Fällt diese Abfrage allerdings negativ aus, so wird die Statusabfrage mehrfach wiederholt. Sollte das Ergebnis dieser Abfrage auch nach einer definierten Anzahl an Wiederholungen negativ ausfallen, so wird der Diagnostic- Service zur weiteren Vorgehensweise aktiviert. Dieser leitet dann das Auslagern der Reglerfunktion auf den redundanten Knoten ein und beteiligt diesen an der Regelung. Technische Bewertung Ausblick Durch die funkbasierte Umsetzung dieses Regelungssystems ist der Verdrahtungsaufwand für eine industrielle Applikation minimierbar, da mit diesem System Reichweiten von insgesamt 170 Metern realisierbar sind. Zusätzlich können die Netzwerkknoten, dank der Umsetzung mit ZigBee, über mehrere Jahre mit Batterien betrieben werden, was einen zusätzlichen Verdrahtungsaufwand erspart. Die ersten Ergebnisse der hier präsentierten Implementierung sind eine ideale Grundlage für die Erprobung und Weiterentwicklung einer Service-orientierten und WSN-basierten Architektur für Regelungsaufgaben in der Industrie. 2/2

3 Automatisierungstage 2012 in Emden 1./2. Februar 2012 [Quelle: Dresden-Elektronik] Wireless Sensor Network (WSN) basiertes Regelungssystem auf Basis des SoA-Konzepts unter Einhaltung redundanter Ausfallsicherheit Hochschule Emden/Leer Abteilung E+I

4 Agenda 1 2 Einführung 3 Realisierung der Ausfallsicherheit 4 5 Erzielte Ergebnisse des Prototyps Zusammenfassung 2

5 1 Einführung Allgemeine Beschreibung des Systems: Wireless Sensor Network über IEEE (ZigBee) Realisierung eines ausfallsicheren Systems zur Regelung einer physikalischen Größe Grundkomponenten einer Regelung bilden dabei die Netzwerkteilnehmer: Regelgröße Stellgröße Regler Regelstrecke Führungsgröße Störgröße 3

6 1 Einführung Verwendete Hardware: Boards der Fa. Dresden Elektronik ( ARM7-Mikrocontroller (AT91SAM7X512) ZigBee-Funkmodul (AT86RF231) Steckbares Modul 2,4 GHz Frequenzbereich Aufteilung in 16 Funkkanäle 250 kbit/s Datenübertragungsrate USB-/Ethernet-Schnittstelle Betrieb über Batterien (zusätzlich USB & DC) [Quelle: Dresden-Elektronik] [Quelle: Dresden-Elektronik] 4

8 2 Grundaufbau des Netzwerks: Eigenschaften: 4 Netzwerkteilnehmer 16Bit PAN-ID 16Bit Node-ID Übertragungsrate 250kBit/s Batteriebetrieb 2 verschiedene Kommunikationswege 6

16 2 Aufgabe der Netzwerkknoten: Sensor- Node Adresse: 0x0001 Control- Node Adresse: 0x0002 Zyklisches Abfragen der Sensoren (PT100, Sollwertvorgabe) Überwachen des Control-Node (Monitoring) Neue Daten eventbasiert zum Control-Node senden Durchführen der Regelung (PID-Regler) Stellgröße eventbasiert zum Actuator-Node senden Actuator- Node Adresse: 0x0003 Ansteuern der Aktoren (Heißluftföhn) Über die Stellgröße ein PWM-Signal generieren Redundancy Node Adresse: 0x0004 Übernahme der Regelfunktion im Fehlerfall 14

17 2 SoA-Konzept (Service-oriented-Architecture): Jeder Netzwerkknoten stellt seine Dienste dem Gesamtnetzwerk zur Verfügung READ_SENSOR: Einlesen von Sensorsignalen SET_ACTUATOR: Ansteuern von Aktoren TAKE_CONTROL: Reglerfunktion Diese Dienste können von jedem Netzwerkknoten beansprucht werden Keine manuelle Konfiguration des Netzwerks notwendig Jeder Netzwerkknoten muss lediglich kennen: Den von ihm angebotenen Service Den von ihm benötigten Service zur Umsetzung einer bestimmten Aufgabe Dadurch erfolgt eine autonome Konfiguration des Netzwerks 15

18 2 Autonome Konfiguration auf Basis des SoA-Konzepts: Ablauf der Konfiguration: (1) Aussenden einer Service-Anfrage (2) Jeder Netzwerkknoten antwortet OWN_ADR: 0x0001 DST_ADR: 0x0000 mit seinem Service (3) Antworten werden analysiert und Zieladresse wird gespeichert 16

19 2 Autonome Konfiguration auf Basis des SoA-Konzepts: OWN_ADR: 0x0001 DST_ADR: 0x0000 SERVICE_REQUEST Ablauf der Konfiguration: (1) Aussenden einer Service-Anfrage (2) Jeder Netzwerkknoten antwortet mit seinem Service (3) Antworten werden analysiert und Zieladresse wird gespeichert 17

20 2 Autonome Konfiguration auf Basis des SoA-Konzepts: OWN_ADR: 0x0001 DST_ADR: 0x0000 SET_ACTUATOR Ablauf der Konfiguration: (1) Aussenden einer Service-Anfrage (2) Jeder Netzwerkknoten antwortet mit seinem Service (3) Antworten werden analysiert und Zieladresse wird gespeichert 18

21 2 Autonome Konfiguration auf Basis des SoA-Konzepts: OWN_ADR: 0x0001 DST_ADR: 0x0002 SET_ACTUATOR Ablauf der Konfiguration: (1) Aussenden einer Service-Anfrage (2) Jeder Netzwerkknoten antwortet mit seinem Service (3) Antworten werden analysiert und Zieladresse wird gespeichert 19

22 2 Autonome Konfiguration auf Basis des SoA-Konzepts: Ablauf der Konfiguration: (1) Aussenden einer Service-Anfrage (2) Jeder Netzwerkknoten antwortet OWN_ADR: 0x0001 DST_ADR: 0x0002 mit seinem Service (3) Antworten werden analysiert und Zieladresse wird gespeichert 20

23 2 Autonome Konfiguration auf Basis des SoA-Konzepts: OWN_ADR: 0x0004 DST_ADR: 0x0000 Ablauf der Konfiguration: OWN_ADR: 0x0001 DST_ADR: 0x0002 OWN_ADR: 0x0002 DST_ADR: 0x0003 OWN_ADR: 0x0003 DST_ADR: 0x0000 (1) Aussenden einer Service-Anfrage (2) Jeder Netzwerkknoten antwortet mit seinem Service (3) Antworten werden analysiert und Zieladresse wird gespeichert 21

24 2 Autonome Re-Konfiguration auf Basis des SoA-Konzepts: OWN_ADR: 0x0001 DST_ADR: 0x0002 OWN_ADR: 0x0004 DST_ADR: 0x0000 OWN_ADR: 0x0002 DST_ADR: 0x0003 OWN_ADR: 0x0003 DST_ADR: 0x0000 Ablauf im Fehlerfall: (1) Aufwecken des redundanten Netzwerkknotens (2) Aussenden einer Service-Anfrage (3) Jeder Netzwerkknoten antwortet mit seinem Service (4) Antworten werden analysiert und Zieladresse wird gespeichert 22

27 2 Autonome Re-Konfiguration auf Basis des SoA-Konzepts: OWN_ADR: 0x0001 DST_ADR: 0x0002 OWN_ADR: 0x0004 DST_ADR: 0x0000 OWN_ADR: 0x0002 DST_ADR: 0x0003 SERVICE_REQUEST OWN_ADR: 0x0003 DST_ADR: 0x0000 Ablauf im Fehlerfall: (1) Aufwecken des redundanten Netzwerkknotens (2) Aussenden einer Service-Anfrage (3) Jeder Netzwerkknoten antwortet mit seinem Service (4) Antworten werden analysiert und Zieladresse wird gespeichert 25

33 3 Ausfallsicherheit Wie wurde die Ausfallsicherheit realisiert? Realisierung über Redundanzen (zusätzlicher Netzwerkknoten) Implementierung eines Monitoring-Systems auf dem Sensor-Node 31

34 3 Ausfallsicherheit Komponenten des Monitoring-Systems: Komponente Funktion Netzwerkkomponente Supervisor Error-Management Diagnostic-Service zu überwachende Einheit Überwachungsfunktion für das Netzwerk Verwaltung und Auswertung der Überwachungsabfragen Aktivierung einer speziellen Notfallstrategie 32

35 3 Ausfallsicherheit Ablauf einer fehlerfreien Datenübertragung: 33

36 3 Ausfallsicherheit Ablauf einer fehlerbehafteten Datenübertragung: 34

38 4 Prototyp Ergebnisse [Quelle: Hochschule Emden] [Quelle: Dresden-Elektronik] 36

39 4 Prototyp Ergebnisse Verlauf der Temperatur ohne Ausfallsicherheit: ON Temperatur / C Zustand des Control-Node gemessene Temperatur 30 OFF 0 Ausfall des Reglers (Control-Node) Zeit / s

40 4 Prototyp Ergebnisse Verlauf der Temperatur mit Ausfallsicherheit: ON Temperatur / C Zustand des Redundancy-Node Zustand des Control-Node gemessene Temperatur 30 OFF 0 Ausfall des Reglers (Control-Node) Zeit / s Übernahme der Regler-Funktion (Redundancy-Node)

41 4 Prototyp Ergebnisse Führungssprungantworten: Eigenschaften: Überschwingendes Regelverhalten Einschleichendes Regelverhalten Optimales Regelverhalten Ch1: Isttemperatur 50 C/DIV (gelb) Ch2: Solltemperatur 40 C/DIV (grün) 39

44 4 Prototyp Ergebnisse Laufzeit der Datenpakete: Eigenschaften: Datenübertragung zwischen zwei Knoten Datenübertragung vom Sensor-Node zum Actuator-Node Gesamtdauer der Konfiguration eines Knotens (Adressfindung) Ch1: DATA Sensor-Node 1V/DIV (gelb) Ch2: DATA Control-Node 1V/DIV (grün) 42

47 4 Prototyp Ergebnisse Gesamtdauer einer Fehlerbehandlung: Eigenschaften: Fehler im Control-Node aufgetreten: Control-Node Redundancy-Node Control-Node nach Fehler wieder betriebsbereit: Redundancy-Node Control-Node Ch1: ERROR Control-Node 1V/DIV (gelb) Ch2: READY Redundancy-Node 1V/DIV (grün) 45

48 4 Prototyp Ergebnisse Gesamtdauer einer Fehlerbehandlung: Eigenschaften: Fehler im Control-Node aufgetreten: Control-Node Redundancy-Node Control-Node nach Fehler wieder betriebsbereit: Redundancy-Node Control-Node Ch1: ERROR Control-Node 1V/DIV (gelb) Ch2: READY Redundancy-Node 1V/DIV (grün) 46

49 4 Prototyp Ergebnisse Reichweite des Systems (ohne Hindernisse): 170 m Sensor- Node Adresse: 0x0001 Node Adresse: 0x m Control- 145 m Actuator- Node Adresse: 0x0003 Geringe Distanz zwischen Sensor-Node & Control-Node ist begründet durch die Überwachung des Monitoring-Systems Auftreten eines Timeout! Änderungen der Monitor-Parameter können die Entfernung erhöhen 47

51 5 Zusammenfassung Was wurde erreicht? Wireless Sensor Network über IEEE (ZigBee) Service-orientierte-Architektur (SoA) Ausfallsicheres System durch den Einsatz von Redundanzen Regelung einer physikalischen Größe (Temperatur) Ausblick: Regelung eines schnelleren physikalischen Prozesses Untersuchungen im Bereich Sicherheit (Industrietauglichkeit) Realisierung über einen anderen Funkstandard Vergrößerung des Netzwerks durch zusätzliche Knoten Aufbau zweier ZigBee-Netzwerke mit Ethernet-Verbindung 49

53 Vielen Dank für Ihre Aufmerksamkeit! Vorführung in D13