Übertragungstechnologien, Simulation und Entwurf robuster Regelungen für drahtlose Feldgeräte in der Industrie

Nach über zwei Jahrzehnten seit dem Beginn der Verbreitung von Funktechnologien im alltäglichen Lebensumfeld gibt es zunehmend Bestrebungen, drahtlose Technologien auch im industriellen Bereich und insbesondere auf Feldebene einzusetzen. Begünstig wird dies durch die Einführung von energieverbrauchsarmen Funktechnologien und Protokollen wie beispielsweise WirelessHART, ISA100.11a, ZigBee und Bluetooth Low Energy. Zu Beginn dieser Arbeit und aktuell werden drahtlose Technologien von der Industrie hauptsächlich für Diagnose und Konfigurationszwecke genutzt. Die vorliegende Arbeit geht einen Schritt weiter und hat die Zielsetzung zu untersuchen, inwieweit drahtlose Technologien auch im geschlossenen Regelkreis betrieben werden können. Durch ihre hohe Flexibilität eignet sich die Funkkommunikation auch für das Themenfeld der "Industrie 4.0"', was ebenfalls im Verlauf dieser Arbeit berücksichtigt wird.

Zunächst werden die für diese Arbeit relevanten Kommunikationsstandards sowie deren Aufbau allgemein betrachtet. Daraufhin werden die verwendeten Funkprotokolle WirelessHART, Bluetooth, Bluetooth Low Energy und ein auf dem MAC-Layer basierendes Protokoll vorgestellt. Es wird ein Vergleich der für die Regelungstechnik relevanten Eigenschaften, der Sicherheit und des Implementierungsaufwandes durchgeführt. Nachdem die Protokolle vorgestellt worden sind, wird eine Vorgehensweise zum Entwurf von Regelungen gezeigt. Damit verbunden wird ein in dieser Arbeit zusammengestellter Netzwerksimulator vorgestellt, mit dem es möglich ist, geregelte Systeme realistisch zu simulieren, die das WirelessHART-Protokoll zur Übertragung von Messwerten und/oder Stellgrößen nutzen. Schließlich wird eine Hardware-in-the-Loop (HiL) Simulation vorgestellt, die in Verbindung mit beliebigen Netzwerkprotokollen nutzbar ist.

Da drahtlose Netzwerke in Abhängigkeit vom verwendeten Protokoll bei der Werteübermittlung einer über der Zeit variierenden Totzeit unterliegen, wird eine Methode zur Nachbildung von Totzeiten für lineare Systeme beschrieben. Außerdem werden die Unterschiede zwischen zentraler und lokaler Regelung vorgestellt und insbesondere deren Eignung für Regelkreise mit drahtlosen Übertragungsstrecken diskutiert. Schließlich wird auf den Betrieb von mehreren Regelkreisen im selben Funknetzwerk eingegangen und besonders die Problematik hinsichtlich der Übertragungssynchronisierung bei MIMO-Systemen mit kommerziellen Produkten aufgezeigt. Gleichzeitig wird ein Ansatz vorgestellt, wie ein Protokoll aufgebaut sein kann, damit sowohl die Synchronisation der Messwertaufnahme als auch der Betrieb mehrerer Regelkreise in einem Multi-Hop-Funknetzwerk realisierbar sind. Nachdem eine Verbindung zwischen den Eigenschaften von drahtlosen Netzwerkprotokollen und den Anforderungen von Regelungen hergestellt ist, werden ausgewählte Regelungsverfahren vorgestellt. Dabei handelt es sich um einen Gain-Scheduling-Regler, ein Konzept von Yokogawa, einen Predictive-Outage-Compensator und ein Multiraten-Konzept. All diese Regelungsverfahren werden am Beispiel eines Anlagenprüfstands anhand von Simulationen, HiL-Simulationen und Messungen am realen Versuchsstand veranschaulicht und bewertet.

After more than two decades since the beginning of the spread of wireless technologies in everyday life, there are increasing efforts to use wireless technologies also in the industrial sector and especially at field level. This is favoured by the introduction of low-energy wireless technologies and protocols such as WirelessHART, ISA100.11a, ZigBee and Bluetooth Low Energy. At the beginning of this work and currently, wireless technologies are mainly used by industry for diagnostics and configuration purposes. The present work goes one step further and has the objective of investigating the extent to which wireless technologies can also be operated in a closed control loop. Due to its high flexibility, wireless communication is also suitable for the topic of "Industry 4.0"', which will also be considered in the course of this work.

First, the communication standards relevant to this work and their structure are considered in general. Then the wireless protocols used - WirelessHART, Bluetooth, Bluetooth Low Energy and a protocol based on the MAC layer - are presented. A comparison of the properties, security and implementation effort relevant to control engineering is carried out. After the protocols have been presented, a procedure for designing controls is shown. In connection with this, a network simulator configured in this work is presented, with which it is possible to realistically simulate controlled systems that use the WirelessHART protocol to transmit measured values and/or actuating variables. Finally, a hardware-in-the-loop (HiL) simulation that can be used in conjunction with any network protocol is presented.

Since wireless networks are subject to a dead time that varies over time during value transmission depending on the protocol used, a method for simulating dead times for linear systems is described. Furthermore, the differences between central and local control are presented and their suitability for control loops with wireless transmission paths is discussed. Finally, the operation of several control loops in the same wireless network is dealt with, and especially the problems regarding transmission synchronisation in MIMO systems with commercial products are pointed out. At the same time, an approach is presented as to how a protocol can be established so that both the synchronisation of the recording of measured values and the operation of several control loops in a multi-hop wireless network can be realised. After establishing a connection between the properties of wireless network protocols and the requirements of control systems, selected control methods are presented. These are a gain-scheduling controller, a concept from Yokogawa, a predictive outage compensator and a multi-rate concept. All these control methods are illustrated and evaluated using the example of an equipment stand by means of simulations, HiL simulations and measurements on the real test stand.