Entwicklung eines Kommunikationssystems für dezentrale aktive Komponenten

Kommunikationssysteme der Automatisierungstechnik bieten für jeden Aufgabenbereich Losungen zur Vernetzung von Sensoren, Aktoren und Regelungskomponenten. Sollen derartige Systeme in Versuchsstanden mit sich ständig ändernden Komponenten eingesetzt werden, ergibt sich ein hoher Aufwand beim Umprogrammieren der Steuerung. Weiterhin besitzt die Anbindung von aktiven Komponenten aus Funktionswerkstoffen bei Automatisierungslosungen einen geringen Stellenwert. In dieser Arbeit wurde ein modulares Kommunikationssystem aus Controller- und Peripheriemodulen zur flexiblen Anbindung von bis zu 50 dezentralen, aktiven Komponenten und Reglerbausteinen entwickelt. Die Kommunikation erfolgt auf Basis eines erweiterten I2 C-Bus für längere Übertragungswege mit Zykluszeiten von 20 ms für 50 Teilnehmer. Eine Signalauffrischung und -verteilung durch jeden Teilnehmer ermöglicht verschiedene Topologien und einen Übertragungsweg von 20 m zwischen zwei Busteilnehmern. Das Controllermodul übernimmt den Kommunikationsablauf und die Einbindung von Reglerbausteinen über verschiedene Schnittstellen. Durch Peripheriemodule werden, mittels anpassbarer Hardwarekomponenten, Sensor- und Aktorschnittstellen bereitgestellt. Die Datenverarbeitung wird durch einen 32 Bit ARM Cortex M4 Mikrocontroller realisiert. Zur Umsetzung wurden Bussysteme, Schnittstellen und Einsatzszenarien analysiert sowie ein Hard- und Softwarekonzept erstellt. Durch einen Schaltungs- und Layoutentwurf wurden Hardwarekomponenten theoretisch und simulativ beschrieben und eine Kommunikations- und wandelbare Peripherieeinheit mit einer steuerbaren Konstantstromquelle für Formgedächtnisaktoren sowie analoge und digitale Signale realisiert. Im Softwareentwurf erfolgte die Unterscheidung der Module sowie die Definition der Datenpakete, des Kommunikationsablaufes und der Fehlerauflösung. Experimentelle Untersuchungen von Teilfunktionen und des Gesamtsystems zeigten die Funktionsfähigkeit und schlossen die Entwicklung ab.

Communication systems of automation technology provide solutions to interconnect sensors, actuators and control components. The use of such systems in experiments with constantly changing components lead to huge efforts in reprogramming of the control. Furthermore, the connection of active components made of functional materials has a low priority in most automation solutions. In this work, a communication system with controller- and peripheral modules was developed that flexibly connect up to 50 decentralized, active network subscribers and control components. The communication is based on an extended I2 C bus for longer distances with cycle times of 20 ms for 50 subscribers. A signal regeneration and distribution by each subscriber allows different topologies and a transmission distance of 20 m between two modules. The controller module takes over the communication process and enables the integration of control components through various interfaces. Actuator and sensor interfaces are provided by peripheral modules with customizable hardware components. Data processing is realized with a 32 bit ARM Cortex M4 microcontroller. Bus systems, interfaces and deployment scenarios were analyzed to implement and create a hardware and software design. Through a circuit design hardware components have been described theoretically and by simulation. A communication unit and changeable peripheral unit with a constant current source for shape memory actuators as well as analog and digital signals were built. In the software design, the definition of the data packages, the communication sequence, the error cancellation and the distinction between the modules were processed. Experimental studies of sub-functions and the overall system show the functionality and completed the development.