Fraunhofer-Institut für Optronik, Systemtechnik und Bildauswertung IOSB

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  • Publication
    A communication concept using 5G for the automated driving monorail vehicle MONOCAB
    ( 2023)
    Bröring, Andre
    ;
    Neumann, Arne
    ;
    Schmelter, Andreas
    ;
    Jasperneite, Jürgen
    The MONOCAB is an innovative monorail vehicle designed to operate in two directions simultaneously on a single rail track. To ensure smooth operations and efficient fleet management, various communi- cation needs arise. This paper outlines four common use cases and identifies nine communication requirements for the MONOCAB. Based on this, it presents a communication concept utilizing 5G technology, covering Vehicle-to-Vehicle (V2V) and Vehicle-to-Infrastructure (V2I) communication, as well as time critical communication to an edge application in a central control centre and non-time critical communication for fleet management and provision of information for the MONOCAB users.
  • Publication
    Investigation in automatic fault detection for scheduled traffic and frame preemption in time-sensitive networks
    ( 2023)
    Ferfers, Tobias
    ;
    Schriegel, Sebastian
    ;
    Jasperneite, Jürgen
    A thorough network diagnosis is essential to cutting down the cost of network downtime in heterogeneous, time-sensitive Ethernet networks. It appears that many Time-Sensitive Networking mechanisms do not provide sufficient information about possible error sources, error recognition, or error causes. This paper examines possible symptoms and error sources of Frame Preemption and how to detect them automatically. Moreover, it examines the limitations and functionality of the Scheduled Traffic Anomaly Detection algorithm (STADA) by utilizing a test network. This research provides assistance to manufacturers of industrial automation devices, experts, and network administrators in performing FDD and root-cause analysis for Scheduled Traffic and Frame Preemption faults in Time-Sensitive networks.
  • Publication
    Modelbasierte Fehlerursachenanalyse in zeitsensitiven Ethernet-Netzwerken
    ( 2022)
    Ferfers, Tobias
    ;
    Biendarra, Alexander
    ;
    Schriegel, Sebastian
    ;
    Jasperneite, Jürgen
    Fehlerursachenanalysen in vernetzten Systemen sind häufig komplex und aufwendig. Zeitsensitive Ethernet-Systeme wie Time Sensitive Networks nutzen Mechanismen wie Zeitsynchronisation, Frame-Preemption und Time Aware Shaper, die in einem komplexen Zusammenspiel für Echtzeitfähigkeit sorgen. In diesem Bereich sind Fehlerursachenanalysen besonders komplex, da spezielles Expertenwissen und spezielle Messtechnik notwendig sind. Modelbasierte Fehlerursachenanalysen können hier in Zukunft als automatisches Diagnoseassistenzsystem Unterstützung leisten. Das Ziel dieser Arbeit ist die Ermittlung von Fehlermodellen, die einen Zusammenhang zwischen messbaren Symptomen und möglichen Fehlerursachen in zeitsensitiven Systemen herstellen. Die entwickelten Fehlermodelle wurden in einem prototypischen Ethernet TSN-Netzwerk mit Messtechnik validiert.
  • Publication
    Cloud-based Plug and Work architecture of the IIC Testbed Smart Factory Web
    ( 2018)
    Heymann, Sascha
    ;
    Stojanovic, Ljiljana
    ;
    Watson, Kym
    ;
    Nam, S.
    ;
    Song, B.
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    Gschossmann, H.
    ;
    Schriegel, Sebastian
    ;
    Jasperneite, Jürgen
    The Smart Factory Web (SFW) is a platform that connects Smart Factories over a network to enable flexible sharing and management of resources, assets and inventory to maximize production and efficiency. In order to become part of the Smart Factory Web, network participants describe not only their products, but also the factory capabilities to order to improve factory-to-factory collaboration. A Smart Factory Web Portal (SFWP) enables secure data and service integration in cross-site application scenarios as well as `plug & work' functions for devices, machines, and data analytics software by applying industrial standards, Open Platform Communications Unified Architecture (OPC UA), and Automation Markup Language (AutomationML or AML for short). OPC UA serves as a comprehensive and secure communication protocol from the machine level into the cloud. A Cloud Coupler on the shop floor publishes the availability of a factory and selected process data in the SFWP. Customers or even smart machines can use this information to make decisions for placing an order and track their orders in real time. In order to simplify the setup of the connection to the cloud and minimize the commissioning time the cloud coupler also aggregates all OPC UA servers on devices in the factory into a single OPC UA aggregated server address space. In this paper an architecture is proposed which uses cloud coupler and plug and work techniques to make a new or retrofit factory available in a SFW to share capability information towards a new marketplace for manufacturing. It is shown that the integration efforts are decreased but also the use of standards reduces the effort to define interfaces.
  • Publication
    PROFIanalytics - die Brücke zwischen PROFINET und Cloud-basierter Prozessdatenanalyse
    ( 2017)
    Schriegel, Sebastian
    ;
    Pethig, Florian
    ;
    Windmann, Stefan
    ;
    Jasperneite, Jürgen
    In Prozessdaten stecken wertvolle Informationen, welche über die reine Prozesssteuerung hinaus zur Überwachung, Diagnose und Optimierung der Prozesse genutzt werden können. Die Anforderungen an eine Systemarchitektur, mit der diese Funktionen umgesetzt werden können, sind dabei vielfältig: historische Datenhaltung, Plug and Play, Ortsunabhängigkeit, Standards, Kosteneffizienz, Migrationsfähigkeit/Investitionsschutz, Sicherheit und Robustheit. Eine Cloud-Architektur bietet skalierbaren Speicherplatz, Kosteneffizienz und Ortsunabhängigkeit. Die Übertragung insbesondere hochfrequenter Prozessdaten in eine Cloud und die einfache Konfigurierbarkeit dieses Systems (Plug and Play) stellen allerdings nicht zu vernachlässigende Herausforderungen dar. PROFINET oder andere Echtzeit-EthernetSysteme sind für die Übertragung von Daten in eine Cloud nicht ausgelegt, da sie nicht auf dem Internetprotokoll (IP) basieren. Bei M2M-Lösungen wie OPC UA und MQTT, die für solche Anwendungsfälle konzipiert wurden ergeben sich Herausforderungen bzgl. der Übertragung hochfrequenter Prozessdaten und der einfachen Integration von M2M in PROFINETAnlagen. Um den genannten Herausforderungen zu begegnen, könnten neue PROFINETFunktionen die Integration von PROFINET in eine Cloud vereinfachen. Diese Funktionen werden in diesem Beitrag unter dem Begriff PROFIanalytics (PROcess FIeld Analytics) diskutiert und stellen zum Beispiel automatisch semantische Informationen, auf PROFINETStacks optimierte M2M-Schnittstellen und Vorverarbeitungsfunktionen in PROFINETControllern oder Devices standardisiert zur Verfügung.
  • Publication
    Modellbasierter Entwurfsassistent zur Auslegung spezifischer Architektur- und Konfigurationseigenschaften von Kommunikationsnetzen mit Echtzeitanforderungen
    ( 2016)
    Leßmann, Gunnar
    ;
    Schneider, Daniel
    ;
    Flatt, Holger
    ;
    Schriegel, Sebastian
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    Jasperneite, Jürgen
    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.
  • Publication
    Universelle Echtzeit-Ethernet Architektur zur Integration in rekonfigurierbare Automatisierungssysteme
    ( 2015)
    Ax, Johannes
    ;
    Aurel, Buda
    ;
    Schneider, Daniel
    ;
    Hartfield, John
    ;
    Dürkop, Lars
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    Jungeblut, Thorsten
    ;
    Jasperneite, Jürgen
    ;
    Vedral, Andreas
    ;
    Rückert, Ulrich
    Das neue Geschäftsmodell, das mit der Industrie 4.0 verbunden ist, verändert ein etab-liertes Dogma der Automatisierungsbranche: Anlagen wurden auf hohen Durchsatz der immer gleichen Produktformate optimiert. Während derartige Systeme mit bekannten Maßnahmen auto-matisierbar sind, stellt die Variantenfertigung eher ein Automatisierungshindernis dar. Für eine individualisierte Produktion ist die Rekonfigurierbarkeit von Industrieanlagen ein wichtiger Fak-tor. Die Modularisierung und automatische Konfiguration sind hierbei wesentliche Triebkräfte. Im Rahmen dieser Arbeit wird eine Basisarchitektur für eine intelligente Netzwerkkomponente vorge-stellt, die ohne manuelle Konfiguration in unterschiedlichen Echtzeit-Ethernet-Netzwerken einge-setzt werden kann.
  • Publication
    Automatic determination of synchronization path quality using PTP bridges with integrated inaccuracy estimation for system configuration and monitoring
    ( 2015)
    Schriegel, Sebastian
    ;
    Biendarra, Alexander
    ;
    Ronen, Opher
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    Flatt, Holger
    ;
    Leßmann, Gunnar
    ;
    Jasperneite, Jürgen
    Many network applications like motion control or precise monitoring of machines need precise knowledge about the time synchronization accuracy. But time synchronization accuracy depends on the performance of PTP nodes, network topology, environmental conditions and various other factors. This makes the determination of synchronization accuracy a complex task. A mechanism for determining the worst case synchronization accuracy is defined in the PTP Power Profile. A TLV is used for accumulating a vendor defined worst case inaccuracy. However in practice when using this approach the inaccuracy values are often much higher than the real synchronization accuracy. In this paper, a technique for automatic determination of synchronization path quality is investigated. It utilizes PTP Bridges with an inaccuracy estimation performed using an inaccuracy model that is separated into static and dynamic inaccuracy contributors. One assumption is that the inaccuracy in the PTP time observed by a bridge, depends on the position of the bridge in the sync path. The latter is due to accumulation of more, possibly independent, random contributors. The effect of increasing deviation is modeled and verified using an experimental setup. The paper concludes that detailed knowledge about the PTP network (cable lengths, inaccuracy contribution metrics for the specific nodes within the sync path, etc.) are useful for automatic determination of the synchronization path quality, synchronization monitoring, system configuration and diagnosis. We suggest an enhancement to the TimeInaccuracy TLV that may possibly be incorporated within the next PTP revision, to better facilitate the protocol support for the above functions.
  • Publication
    Beschreibung von Produktionsprozessen in modularisierten Produktionsanlagen für Industrie 4.0
    ( 2015)
    Heymann, Sascha
    ;
    Jasperneite, Jürgen
    ;
    Schröck, Sebastian
    ;
    Fay, Alexander
    In diesen Beitrag wird der Einsatz der formalisierten Prozessbeschreibung (FPB) am Beispiel einer modularisierten Produktionsanlage gezeigt. Im Kontext von Industrie 4.0 wird dabei der Nutzen der Ergänzung der aktuell überarbeiteten FPB gezeigt, um neben der Versorgung und Entsorgung von entsprechenden Produkten und Energien, auch den Informationsaustauch von Prozessen und ihren Diensten zu beschreiben. Durch die formale Beschreibung der Produktionsprozesse und deren Schnittstellen entstehen serviceorientierte Architekturen, die einen hohen Grad an Autonomie und Wiederverwendbarkeit aufweisen.
  • Publication
    An app-based approach for reconfigurable field devices
    ( 2014)
    Gilani, Syed Shiraz
    ;
    Tack, Tim
    ;
    Flatt, Holger
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    Jasperneite, Jürgen
    Today, automation suppliers need to provide a large variety of field devices because one device is especially designed to provide a limited and static range of functionalities, which are fixed at the delivery time of the device. This is expensive for both customers and device suppliers. To overcome this situation, device functionalities needs to be adapted or extended on demand according to the changing market requirements, even if the devices have already been delivered to customers. In this work, an app-based approach is proposed and evaluated to serve that purpose. This approach is adapted from the smart device industry and it is used to provide software-based functionalities for field devices as an enabling technology in the context of reconfigurable manufacturing systems. This paper describes the essential elements of such an approach with a practical perspective.