MULTIFUNK. Multifunktionale Sensornetzwerke zur Überwachung von Prozessdaten. Laufzeit: 01. Oktober September 2012

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1 MULTIFUNK Multifunktionale Sensornetzwerke zur Überwachung von Prozessdaten Laufzeit: 01. Oktober September 2012 Statusmeeting Autonom vernetzte Sensorsysteme (AVS) 6./7. Februar 2012, Berlin

2 Inhalt Ziele und Partner AVT Thermogenerator Lösungen für die Anwendung Lötanlagen Lösungen für die Anwendung Vulkanisierpressen Softwarekonzept und -umsetzung

3 MULTIFUNK Multifunktionale Sensornetzwerke zur Überwachung von Prozessdaten Aufbau von kombinierten leitungsgebundenen und funkvernetzten Sensornetzwerken Leitungsgebunden Standardprozess Funkvernetzung Servicefunktionen, Kalibration, Netzwerkerweiterung Fabrik- Ebene Ethernet TCP/IP Fabrik- Ebene Ethernet TCP/IP Server Server Cluster- Ebene Profibus / DeviceNet Cluster- Ebene Profibus / DeviceNet SPS SPS SPS Buskoppler Buskoppler Maschinen- Ebene S 1 S 2 S n S 1 S 2 S n Maschinen- Ebene S 1 S 2 S n S 1 S 2 S n S M1 S M2 S n S M1 S M2 S n Stand d. Technik MULTIFUNK

4 Projektpartner Anwender System/AVS Komponenten Entwicklungspartner

5 Thermogeneratoren Folie mit Thermoelementen Vereinzeltes Thermoelement Prototyp eines Thermogenerators aus 20 Folien Vereinzelung Klebstoffauftrag Montage

6 Thermogeneratoren Auftrag kleinster Klebstoffmengen (insg. 500 Klebstoffpunkte pro Thermogenerator) Ø 250 µm Volumen 1 nl Genaue Ausrichtung und Stapeln der Folien in alle Richtungen mit Positioniergenauigkeit von 10 µm Überlappung Folie A Folie B Zwei parallel ausgerichtete Folien

7 Anwendung Lötanlagen Reflow-Systeme Wellenlötanlagen Ziele: Überwachung Langzeitstabilität Überwachung Reproduzierbarkeit des Prozesses Rückkopplung der Daten zur Optimierung des Prozesses

8 Ergebnisse Multifunk für Lötanlagen Einbau von In-Prozess-Prüfbaren Fühlern in Reflow-Systeme -> unabhängige Absicherung der Prozessparameter Messspinne für Reflow-Systeme -> Messung der Temperatur an 3 Punkten bei Durchfahrt, Wärmedämmung muss noch optimiert werden Messshuttle für Wellenlöten -> Entwicklung abgeschlossen, Testfahrten erfolgreich, System wahlweise mit Datenspeicherung oder Erweiterungsmodul mit Funkschnittstelle

9 Anwendung Vulkanisierpressen für Reifen Zahlreiche Messstellen - Temperatur - Druck Raue Umgebung Ziele: Reduzierung Wartungszeiten Höhere Prozesssicherheit Optimierung des Energieeintrags

10 Sensornetzwerk Vulkanisierpressen Datenbank Prozessleitebene SPS/IPC Datenerfassung/ Qualitätssicherung Kalibrierung/Justierung der Prozesssensoren SPS Prozesssteuerung Ethernet Analoge Sensoranbindung RS485/ Modbus A1 A2 A3 A4

11 Sensornetzwerk Vulkanisierpressen - Software Erfassung, Anzeige und Speichern der Daten (inkl. Datenbankanbindung) 20 Systeme mit ca. 40 Messstellen Kalibrier- und Justagefunktion

12 235,00 Sensornetzwerk Vulkanisierpressen - Datenvergleich Sehr gute Übereinsstimmung mit etablierten Fühlern 184,80 Mehrwert durch Redundanz, 184,60 Fehlererkennung, 184,40 In-Prozess-Kalibrierbarkeit, 184,20 Busanbindung 30,00 215,00 195,00 175,00 155,00 184,00 183,80 25,00 135,00 183,60 183,40 20,00 115,00 ALB_IHRL_interpoliert BRO_IHRL_interpoliert MultiFunk IHRL interpoliert ALB_AHML_interpoliert 95,00 183,20 BRO_AHML_interpoliert MultiFunk AHML interpoliert 183,00 15, ,00

13 Änderung des Wärmeableitungsfehlers MUSEFF Multifunktionaler Temperaturmessfühler Ergebnisse Wärmeableitung -> Fehler von bis zu 1,5K wird erkannt und kann korrigiert werden Foulingeffekten -> Fehler bis zu 0,5K, Erkennung noch in Arbeit Erkennung der Alterung durch Einsatz unterschiedlicher Pt100 1,0 0,5 0,0 0,0 2,0 4,0 6,0 8,0 10,0 12,0 14,0 16,0 18,0 20,0-0,5-1,0-1,5-2,0-2,5-3,0-3,5 Änderung der Temperatur am oberen Ende des Fühlerrohrs delatt1 deltat2 deltat3

14 Sensornetzwerk Umsetzung Software Infrastruktur MST 1 MST 2 MST n Gateway Modbus/ Ethernet PC-Server Datenabruf Datenbank MySQL Dienste: - Grenzwertüberwachung - Sensortausch - Limit Comparator - Drifterkennung - Kalibrierung - Justierung - Wärmeableitung - Oracle Datenbank GDT

15 Ursprüngliches Ziel Neu: Multifunk 2012 S 1.1 SPS/ ADC S S 2.1 SPS/ ADC SPS-Presse S 1.1 S 2.1 SPS/ ADC SPS-Presse S n.1 S n.1 MST1 SPS/ ADC SPS/ ADC SPS-Presse Steuerung SPS Steuerung SPS S n.1 MST1 MST2 SPS/ ADC SPS-Presse Steuerung SPS Steuerung SPS MST2 MST1 MST2 MSTn IPC/PC ZENON PCC Oracle IPC/PC ZENON Oracle MST1 MSTn MST2 IPC/PC ZENON PCC Oracle IPC/PC ZENON Oracle MSTn Qualität PCC Qualität PCC MSTn Qualität PCC Qualität PCC

16 Systemkonzept MST2012 Neues Systemdesign mit zwei Kommunikationsschnittstellen Doppelprozessor (Redundanz und Trennung der Prozesse) MST 2012 Pt100 ADC CPU 1 Ethernet/ RS485 Steuerung Presse / SPS Pt100 ADC CPU 2 Ethernet/ RS485 Qualität / PCC / Dienste

17 Multifunk Softwareaspekte: Modellierung und Middleware

18 Modellierung Schaffung einer einfacheren Sichtweise auf das zu lösende Problem Beantwortung der Frage Wie oft sollen Temperaturmesswerte von Sensor MST1 in welche Datenbank geschrieben werden? an Stelle der Fragen Welches Register im MST-System MST1 muss ich abfragen? Welche Slave-ID hat der Sensor MST1? An welchem Bus hängt MST1? Wie sieht das Kommunikationsprotokoll aus, wenn zwischen MST1 und der Datenbank weitere Knoten liegen? Wie wandle ich den Temperaturwert in den zu speichernden Wert um? Mittel: Abstraktion, d.h. Aufteilung des Gesamtproblems in kleinere Teile, von denen der Bediener nur einen kleinen Teil kennen muss, da der Rest durch Experten vorgegeben ist

19 Modellierung Überblick über die Modelle (1/4) Hardwarebibliothek Beliebig erweiterbare Bibliothek (Liste) von PC- und Mikrocontrollerplattformen mit zugehörigen unterstützten Betriebssystemen sowie weiteren Eigenschaften Wird mit dem Modellierungswerkzeug ausgeliefert Beispiele: x86-pc mit Windows, Microsoft-Compiler-Toolchain, Ethernet-Schnittstelle MST-Sensorknoten mit proprietärer Firmware, Modbus-Schnittstelle ATmega128-Sensorknoten mit Contiki, GCC-Compiler-Toolchain, IEEE Erstellt von: Hardwareexperten, die auch die Treiberschicht implementieren

20 Modellierung Überblick über die Modelle (2/4) Dienstbibliothek Beliebig erweiterbare Bibliothek (Liste) von Softwarekomponenten/Funktionsblöcken, die in einer konkreten Anwendung zum Einsatz kommen können Wird mit dem Modellierungswerkzeug ausgeliefert Beispiele: Lesen der Temperatur von einem Temperatursensor Mittelung von (Temperatur-)Werten Speicherung von (Temperatur-)Werten in einer Datenbank Erstellt von: Programmierern, die Experten auf dem jeweiligen Gebiet sind, z.b. Regelungstechniker

21 Modellierung Überblick über die Modelle (3/4) Netzwerkmodell (physikalische Struktur der Anwendung) Menge von Komponenten aus der Hardwarebibliothek sowie deren physikalische Verbindungen, die bei einer bestimmten Anwendung zum Einsatz kommen Wird je Anwendungsfall mit dem Modellierungswerkzeug erstellt Beispiele: Temperatur- und Drucküberwachung bei GDT z.b. 8 Temperatur-, 6 Drucksensoren und 1 PC mit Datenbank Temperatur- und Drucksensoren sind per Modbus über RS485 verbunden Erstellt von: Ingenieuren aus dem Anwendungsfeld

22 Modellierung Überblick über die Modelle (4/4) Anwendungsmodell (logische Struktur der Anwendung) Logische Datenströme bei einer bestimmten Anwendung Wird je Anwendungsfall mit dem Modellierungswerkzeug erstellt Beispiele: Temperatur- und Druckwerte sollen jede Sekunde in die Datenbank geschrieben werden Zusätzlich soll überwacht werden, ob die vorgegebenen Sollwerte eingehalten werden Erstellt von: Ingenieuren bzw. Anwendungsentwicklern aus dem Anwendungsfeld MST 1 MST 2 MST 3 MST 4 RF ID Mittelwert Mittelwert

23 Modellierung Modellierungswerkzeug Multifunk Modeling Tool Basiert auf modellgetriebenem Konzept Darstellung der Modelle als Bäume (noch keine grafischen Editoren) Hardwarebibliothek, Dienstbibliothek Netzwerkmodell, Anwendungsmodell Editieren des Modells Validieren des Modells (z.b. ungültige Kombination von Modellelementen) Codegenerierung für das jeweilige Zielsystem

24 Selbstorganisation: Automatische Platzierung von Diensten im Netzwerk Herausforderung: Platzieren von Software-Diensten auf Konten im Netzwerk unter Berücksichtigung von verschiedenen Optimierungskriterien, wie: Ortsgebundenheit durch bestimmte Hardware Minimaler Netzwerk-Kommunikationsaufwand Gleiche Auslastung der Knoten Optimierung des Energieverbrauchs Auslastung von drahtgebundenen Knoten Umsetzung: Beschreibung der Netzwerkstruktur Beschreibung der Dienste und deren Verbindungen Platzierung der Dienste im Netzwerk und Evaluation der Platzierung

25 Automatische Platzierung: Netzwerk Netzwerkstruktur Mehrere Knoten in verschieden Netzen Darstellung der Knoten im zugehörigen Sub-Netz

26 Scheduler Sensorknoten: Software Architektur: Chromosome Datenbank Messwerterfassung Überwachung / Plausibilitätsprüfung Vorverarbeitung Datenlogger Node Manager Directory Login Server data centric communication Chromosome Middleware Broker Routing- Tabelle Network Interface Leichtgewichtige Stubs Platform Abstraction Layer Treiber (ADC, DAC, MUX, EEPROM) FreeRTOS + lwip + STM Std. Peripheral Library STM32F107VC-basiertes System

27 Demonstrator Erweiterung um zusätzliche Sensorik

28 Ausblick Zusammenführung der Teillösungen Anwendung Lötanlagen: Direkte Kopplung der Daten zur Prozessanpassung Anwendung Vulkanisierpressen: Einbindung MST2012, Erweiterter Datenabgleich, Nachweis des technischen und wirtschaftlichen Effekts Software: Codegenerierung für das Anwendungsszenario Vulkanisierpressen Einbindung der generierten Software in den jetzigen Aufbau des Messsystems für Vulkanisierpressen

29 Danke für Ihre Aufmerksamkeit

30 Backup

31 Modellierung Modellierungswerkzeug (2) Kontextmenü: Editieren des Modells Validieren des Modells (z.b. ungültige Kombination von Modellelementen)

32 CHROMOSOME - Middleware für Sensor (-Aktor) Netzwerke Open-Source Middleware für Cyber-Physical Systems (CPS) entwickelt von fortiss Herausforderungen: Systems-of-Systems Globale Optimierung / Steuerung anstatt lokaler Steuerung Steigende Zahl an Sensoren und Daten Zukünftige Kommunikationspartner sind häufig nicht von vorneherein bekannt Kombination von Systemen mit stark unterschiedlichen Eigenschaften:» Sicherheitskritische und nicht kritische Subsysteme (mixed criticality systems)» Echtzeit und nicht Echtzeit- Anwendungen» Ressourcenbeschränkte Geräte und Cloud Computing Cyber-Physical Systems sind domänenübergreifend Es ist also eine Domänenübergreifende Lösung nötig Embedded Middleware und SOA Middleware werden sich annähern bzw. eng verbunden werden Monolithische Middleware Architekturen werden langsam verschwinden Ein Ansatz basierend auf (Meta-)Daten wird verwendet, um verschiedene Bausteine zu kombinieren Kraftwerke Häuser mit Solarzellen und Elektrofahrzeugen Application and Quality of Service Model Windparks Model Transformation and Code Generation Generated Application Generated Middleware Operating System Speicherkraftwerke Service and Platform Repository Hardware Abstraction Layer (HAL) Solarparks Fabriken Target Platform Target Platform

33 CHROMOSOME - Middleware für Sensor (-Aktor) Netzwerke Rahmenbedingungen: Abstraktion von Hardware und Kommunikation Kapselung von Anwendungsblöcken bzw. Anwendungen in Diensten Flexible Platzierung der Dienste auf den Knoten im Netzwerk Optimierung Anbindung an die Außenwelt über ein Gateway Open-Source Middleware für Cyber Physical Systems (CPS) entwickelt von fortiss Designentwurf vorgestellt beim letzen Statusmeeting

34 Automatische Platzierung: Dienste

35 Datenübertragung im Netzwerk Entwicklung einer Abstraktionsschicht für die Kommunikation zwischen verschiedenen Knoten des Sensornetzwerks Unterstützung vom PC bis zum Mikrocontroller Unterstützung verschiedener Kommunikationsmedien und -protokolle Ethernet WLAN Serial over IP für IEEE Anbindung von Feldbussen Modbus/RS485, RS232 über entsprechende Software-Komponenten Selbstorganisation Automatische Anmeldung von Knoten Automatisches Aufbauen von Datenübertragungskanälen

36 RFID Demonstrator (2) MICAz Mote (AVR basiert) MICAz Mote (AVR basiert) Seriell RFID WLAN Logger WLAN WLAN AP Seriell Kamera USB Mini-PC (Intel Atom basiert) Switch Service Gateway Datenverarb. Ethernet Sensor I/O ARM Mote (ARM basiert) Netzwerk- Verw. Modellierung SPS 36

37 Anbindung von MST-Sensorik Anbindung von MST-Systemen an höheres Kommunikationsnetz Identifizierung der Geräte über Seriennummer und/oder Typ Automatische Adressvergabe Ursprüngliche Adresse: 247 (höchste mögliche Adresse) Permanenter Scan auf Geräte mit dieser Adresse Zuordnung über Datenbank Datenbank enthält komplettes Inventar Offene Frage: Gleichzeitige Anbindung von LabView und der Datenbank

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