Entwurf, Umsetzung und Validierung von Konzepten für ... · StrukturierterText...

Masterarbeit

Entwurf, Umsetzung und Validierungvon Konzepten fr Anwendungen im

Industrie-4.0-Kontext

Autor:Daniel Akrap,Matrikelnummer: 4520369

Betreuer:Prof. Dr. Ral Rojas,

Freie Universitt BerlinM.Eng. Boris Beckmann-Dobrev,

Fraunhofer IPK

14. Juli 2016

Inhaltsverzeichnis

Selbststndigkeitserklrung v

Zusammenfassung vii

Glossar ix

1 Einfhrung 11.1 Motivation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 11.2 Aufgabenstellung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1

2 Grundlagen 32.1 Industrie 4.0 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3

2.1.1 Internet der Dinge . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 42.1.2 Cyber-Physisches-System (CPS) . . . . . . . . . . . . . . . . . 5

2.2 Computerhaptik . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 62.2.1 Wahrnehmung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 62.2.2 Haptische Interaktionsgerte . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 7

3 Stand der Technik 93.1 Automatisierungstechnik . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 9

3.1.1 Speicherprogrammierbare Steuerung (SPS) . . . . . . . . . . . 93.2 Netzwerktechnik . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 12

3.2.1 EtherCAT . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 143.2.2 Controller Area Network (CAN) . . . . . . . . . . . . . . . . . 163.2.3 Profibus DP . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 18

3.3 Mikrocontroller . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 183.3.1 Arduino UNO . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 193.3.2 Arduino DUE . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 203.3.3 Teensy 3.2 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 20

i

Inhaltsverzeichnis

3.4 Einplatinencomputer . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 203.4.1 Raspberry PI 2 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 213.4.2 BeagleBone Black . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 213.4.3 Texas Instruments Industrial Communications Engine (ICE) . 22

4 Konzepte 234.1 Haptisches Interaktionsgert Graspit . . . . . . . . . . . . . . . . . . 23

4.1.1 Aufbau des Graspit-Systems . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 234.1.2 Schematischer Aufbau des Graspit Systems . . . . . . . . . . . 264.1.3 Analyse des bestehenden Systems . . . . . . . . . . . . . . . . 274.1.4 Entwurf eines neuen Konzepts . . . . . . . . . . . . . . . . . . 27

4.2 Haptikzelle . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 294.2.1 Systemaufbau . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 294.2.2 Zielsetzung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 304.2.3 Hardware . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 304.2.4 Entwurf eines neuen Konzepts . . . . . . . . . . . . . . . . . . 31

4.3 Bi-Manu-Track . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 324.3.1 Zielsetzung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 334.3.2 Systemaufbau . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 334.3.3 Entwurf eines neuen Konzepts . . . . . . . . . . . . . . . . . . 36

5 Umsetzung 395.1 Graspit-System . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 39

5.1.1 Hardware . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 395.1.2 Software . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 405.1.3 Steuerung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 41

5.2 Bi-Manu-Track . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 425.2.1 Evaluation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 435.2.2 Entwicklung einer Systemschnittstelle . . . . . . . . . . . . . . 485.2.3 Schaltplan . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 495.2.4 Implementierung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 50

6 Auswertung 556.1 Graspit-System . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 55

6.1.1 Performancemessung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 556.1.2 Validierung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 56

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Inhaltsverzeichnis

6.2 Bi-Manu-Track . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 576.2.1 Validierung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 57

7 Fazit 59

Literatur 61

Abbildungsverzeichnis 65

Tabellenverzeichnis 67

Abkrzungen 69

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Inhaltsverzeichnis

iv

Selbststndigkeitserklrung

Ich erklre gegenber der Freien Universitt Berlin, dass ich die vorliegende Ar-beit selbststndig und ohne Benutzung anderer als der angegebenen Quellen undHilfsmittel angefertigt habe.Die vorliegende Arbeit ist frei von Plagiaten. Alle Ausfhrungen, die wrtlich

oder inhaltlich aus anderen Schriften entnommen sind, habe ich als solche kenntlichgemacht.Diese Arbeit wurde in gleicher oder hnlicher Form noch bei keiner anderen Uni-

versitt als Prfungsleistung eingereicht und ist auch noch nicht verffentlicht.

Datum, Ort Unterschrift

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Selbststndigkeitserklrung

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Zusammenfassung

Ein Ziel von Industrie 4.0 ist es, Informationstechnologie und Produktionstechno-logie besser miteinander zu verknpfen. Basierend auf dieser Vorgabe wurde ausinformationstechnischer Sicht untersucht, wie bestehende oder neuentwickelte ein-gebettete Systeme diese Anforderung erfllen knnen. Dafr wurden im Rahmendieser Arbeit am Fraunhofer Institut fr Produktionsanlagen und Konstruktions-technik (Fraunhofer IPK) mehrere Konzepte erarbeitet. Zwei dieser Konzepte wur-den Umsgesetzt. Fr das am Fraunhofer IPK entwickelte haptische Interaktions-gert GRASPit! wurde unter Verwendung aktueller Automatisierungstechnik eineneue Steuerung entwickelt. Das zweite System ist ein Rehabilitationsgert zur Ver-besserung der motorischen Fhigkeiten von Hand und Arm nach einem Schlaganfall.Das eingebettete System wurde mit einer Netzwerkschnitstelle erweitert, wodurcheine telemedizinische Nuzung ermglicht wird.

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Zusammenfassung

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Glossar

Anweisungsliste

AWL ist eine sich an Assembler orientierende Sprache fr die Entwicklungspeicherorientierter Steuerungen.

Busklemme

Busklemmen sind von der Bauform genormte Klemmen, die auf einer DIN-Hutschiene in einem Schaltschrank montiert werden. Sie knnen analoge unddigitale Eingangs- und Ausgangssignale verarbeiten.

Carrier Sense Multiple Access/Collision Resolution (CSMA/CR)

CSMACR ist eine Methode zur Erkennung und Vermeidung von Kollisionenin Netzwerken.

Common Industrial Protocol

Das Common Industrial Protocol (CIP) ist ein Anwendungsprotokoll fr dieAutomation, das den bergang der Feldbusse zum Industrial Ethernet und zuIP-Netzen untersttzt. [1].

Complementary metal-oxide-semiconductor

Complementary Metal Oxide Semiconductor (CMOS) ist eine Schalttechnikfr Logikbaustein. Eine Betriebsspannung von 3, 0V bis 3, 6V ist blich.

Dehnungsmessstreifen

Dehnungsmessstreifen ndern durch Ausdehnung oder Stauchung ihren Mess-baren Widerstand.

Endeffektor

Ein Endeffektor ist das letzte Glied einer kinematischen Kette.

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Glossar

Enhanced Parallel Port

EPP ist ein bidirektionale Datenbertragungsmodus fr die parallele Schnitt-stelle im PC.

Field Programmable Gate Array (FPGA)

Ein FPGA ist ein integrierter Schaltkreis. In diesem kann eine programmierteLogik gespeichert werden.

IEC 61131

"IEC 61131 legt die Syntax und Semantik von Programmiersprachen fr spei-cherprogrammierbare Steuerungen fest. Dieser Teil (Teil 3 [Anm. d. Verf.])der IEC 61131 legt die Syntax und Semantik einer vereinheitlichten Reihe vonProgrammiersprachen fr Speicherprogrammierbare Steuerungen (SPS) fest.Diese Reihe umfasst zwei Textsprachen Anweisungsliste (AWL) und Struk-turierter Text (ST) und zwei grafische Sprachen Kontaktplan (KOP) undFunktionsbaustein-Sprache (FBS)." [1].

Jitter

Jitter ist bei der bertragung von digitalen Signalen ein Strsignal im Takt.

Kernelspace

Kernelspace ist unter Linux der priviligierte Speicherbereich.

Kontaktplan

Kontaktplan ist eine an Stromlaufplne angelehnte Programmiersprache frspeicherprogrammierbare Steuerungen.

Real Time Application Interface

RTAI (Real Time Application Interface) ist eine Erweiterung fr Linux zueinem Echtzeitbetriebssystem.

Real-Time Operating System

TI-RTOS ist ein Echtzeitbetriebssystem von Texas Instruments.

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Glossar

Realtime Hardware Abstraction Layer

Ein Kernelmodul fr Linux. Das Modul abstrahiert die Hardware vom Linux-Kernel. Anfragen an die Hardware werden an den RTAI Echtzeit-Kernel wei-tergeleitet. Hardwareinterrupts werden vom RTAI Echtzeit-Kernel an Linuxweitergeleitet.

Shield

Shield ist die Bezeichnung fr Erweiterungsplatinen der Arduino Familie.

Strukturierter Text

ist ein objektorientierte Sprache zum programmieren von SPS nach InternationalElectrotechnical Commission (IEC) 61131. Die Syntax der Programmierspra-che ist an Pascal angelehnt.

Transistor-Transistor-Logik (TTL)

Die Transistor-Transistor-Logik (TTL) ist eine Schalttechnik fr Logik Bau-steine. Die Betriebsspannung liegt bei 5V .

Userspace

Der Userspace ist der Speicherbereich, indem unter Linux die Anwendungender nicht priviligierten Benutzer ausgefhrt wird.

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1 Einfhrung

1.1 Motivation

Die vorliegende Masterarbeit ist am Fraunhofer IPK entstanden. An diesem Institutwerden Methoden und Technologien fr das Management, die Produktentwicklung,den Produktionsprozess und die Gestaltung industrieller Fabrikbetriebe erarbeitet.Zu den Hauptgeschftsfeldern Zhlen Automatisierungstechnik, Unternehmensma-nagement, Medizintechnik, Produktionssysteme und virtuelle Produktentstehung.Industrie 4.0 steht fr den Ansatz einer neuen industriellen Revolution. Durch die

Anwendung von aktuellen Kommunikationstechniken sollen Prozesse in der produ-zierenden Industrie optimiert, modularisiert, durch vorhandene Ressourcen bessergenutzt und die Produktionskosten gesenkt werden. Prozesse der Industrie besserzu integrieren, ist schon vor der Prgung des Begriffs Industrie 4.0 ein Schwerpunktder Forschung am Fraunhofer IPK gewesen.Eines der Ziele von Industrie 4.0 ist es, Informationstechnologie und Produkti-

onstechnologie besser miteinander zu verknpfen. Vor diesem Hintergrund wird ausinformationstechnischer Sicht untersucht, wie bestehende eingebettete Systeme indiese neue Art von Produktionsablauf integriert werden knnen.

1.2 Aufgabenstellung

Klassische Anwendungen der Industrie sehen in sich geschlossene Lsungen vor, indenen Maschinen oder Anlagen vorgegebene, sich wiederholende (optimalerweisestandardisierte) Routinen mittels Speicherprogrammierbare Steuerung berwachenund ausfhren. Eine interaktive Fernsteuerung und berwachung solcher Anlagen istnach aktuellem Stand der Technik mglich. Die Industrie-4.0-Anforderungen gehenjedoch darber hinaus. Zum Zwecke der Planung, Instandhaltung oder Modifikationist die Online-Kopplung einer realen mit einer virtuellen Anlage erforderlich.Technische Standards allein reichen jedoch nicht aus. Ein Groteil der Wertschp-

1

Kapitel 1. Einfhrung

fung im Maschinen- und Anlagenbau, aber auch in der Automatisierung besteht heu-te schon aus der Softwareentwicklung. Deren Komplexitt nimmt weiter stark zu.Softwaresysteme fr Industrie 4.0 mssen konomisch tragfhig produziert werden,leistungsfhig und zuverlssig sein und trotz wachsender Komplexitt beherrschbarbleiben. [2] Ausgehend von den Anforderungen an Industrie 4.0 ist die Zielsetzungdieser Arbeit innovative Konzepte fr Anwendungen im Industrie 4.0 Kontext zuerarbeiten. Dies beinhaltet im Einzelnen:

Aufnahme von Anwendungsfllen im Industrie-4.0-Kontext,

Ableitung von technischen Anforderungen, die fr die Umsetzung der definier-ten Anwendungsfllen erforderlich sind,

fundierte Recherche ber den Stand der Technik und Stand der Forschung fraktuelle und in Entwicklung befindlichen Steuerungslsungen,

Erarbeitung von Konzepten fr die Umsetzungsmglichkeiten der definiertenAnwendungsflle,

Umsetzung ausgewhlter Konzepte und

Validierung und Performancemessungen der realisierten Lsungen.

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2 Grundlagen

2.1 Industrie 4.0

Industrie 4.0 ist heute ein Aktionsfeld von Digitale Wirtschaft und Gesellschaftder Hightech-Strategie der Bundesregierung aus dem Jahre 2014. Der ffentlichkeitwurde der Begriff erstmals im Jahr 2011 auf der Hannovermesse bekannt gemacht.Im Mittelpunkt steht eine Vernetzung von autonomen, sich situativ selbst steuern-den, sich selbst konfigurierenden, wissensbasierten, sensorgesttzten und rumlichverteilten Produktionsressourcen (Produktionsmaschinen, Roboter, Frder- und La-gersysteme, Betriebsmittel) inklusive deren Planungs- und Steuerungssysteme [3,S. 24].

Abbildung 2.1: Industrieentwicklung, Quelle DFKI 2011

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Kapitel 2. Grundlagen

Der Begriff Industrie 4.0 soll zum Ausdruck bringen, dass es sich hierbei um dieEinleitung der vierten industrielle Revolution handelt. Die erste industrielle Revo-lution, die Nutzung der Dampfkraft, ging im 18. Jahrhundert von England aus. Alszweite industrielle Revolution wird die Einfhrung der Fliebandarbeit Ende des19. Jahrhunderts in Europa und die Massenfertigung zu Beginn der 1920er Jahre inden Vereinigten Staaten von Amerika betrachtet. Die dritte industrielle Revolution,auch als digitale Revolution bekannt, wurde mit der Einfhrung von Informations-technologie und Elektronik beginnend in den 1960er Jahre eingeleitet. [4] In Bezugauf die dritte industrielle Revolution gehen die Meinungen stark auseinander. DieUmstrukturierung unserer Wirtschaft hin zu einer mehr kologischen Form, wirdauch als dritte industrielle Revolution bezeichnet, tritt unter dieser Bezeichnungseit Mitte der 2000er Jahre auf. [5][6]

Anknpfend an die digitale Revolution, soll mit Industrie 4.0 die Vernetzungzwischen Menschen, Maschinen und Produkten mit Hilfe aktueller Informationstech-nologie erfolgen. Diese Vernetzung von physischen Systemen (SPS, Mikrocontrollernetc.) erfolgt auf der Grundlage der Strukturen des Internet der Dinge (IdD).

2.1.1 Internet der Dinge

Das Internet der Dinge ist die Vernetzung von physischen Objekten in einem digita-len Netz. Dabei wird jedes physische Objekt mit einer virtuellen Identitt verknpft.Bei den physischen Objekten handelt es sich vielfach um Alltagsgegenstnde wieStromzhler, Kleidungsstcke, Uhren und verschiedenste Konsumgter. Diese phy-sischen Objekte werden meist mit einem eingebetteten System, bestehend aus einemMikrocontroller, passender Sensorik und einer in der Regel auf Funktechnik basie-renden Lsung zur Datenbertragung ausgestattet. Die von den Sensoren gesam-melten Informationen (z.B Puls, Bilder, Geschwindigkeit oder Temperatur) werdenvon dem Mikrocontroller aufgearbeitet, um zur weiteren Verarbeitung oder Auswer-tung mit einem Datennetzwerk bertragen zu werden. Weiter kann es sich auch umpassive Systeme handeln, die mittels Radio-frequency identifications (RFIDs) odermit einem Quick Response Code (QR-Code) ausgestattet sind. Entgegengenommenwerden die Daten von anderen Maschinen, von denen sie auch weiterverarbeitetwerden. Es handelt sich hierbei um eine Maschine-zu-Maschine-Kommunikation, dieber gemeinsame Standards und Schnittstellen kommunizieren soll. Letztere sindnoch nicht definiert. [7]

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Anwendungsfelder

Fr das Internet der Dinge ergeben sich Anwendungsfelder in fast allen Bereichen.Eine Auswahl dieser sind:

Bekleidungsindustrie

Verkehrstechnik

Haushaltsgerte

Gesundheitstechnik

2.1.2 Cyber-Physisches-System (CPS)

Cyber-Physische-Systeme sind die technische Lsung zur Verknpfung der physika-lischen und der virtuellen Welt. Als eingebettete Systeme erfassen sie mittels Sen-soren unmittelbar physikalische Daten und interagieren auf dieser Grundlage aktivoder reaktiv mit der physikalischen und der virtuellen Welt. Technisch gesehen sindeingebettete Systeme die Kombination aus Kleinstcomputern und Software, die inandere Objekte (Produkte, Materialien, Maschinen etc.) integriert sind. [8, S. 9].Dies ist eine von vielen Definitionen eines CPS. Der Begriff wurde bis heute nicht

klar abgegrenzt und berschneidet sich in anderen Definition deutlich mit denen vonIndustrie 4.0 wie die Definition der Forschungsagenda CPS: Cyber-Physical Sys-tems (CPS) sind gekennzeichnet durch eine Verknpfung von realen (physischen)Objekten und Prozessen mit informationsverarbeitenden (virtuellen) Objekten undProzessen ber offene, teilweise globale und jederzeit miteinander verbundene Infor-mationsnetze. [9, S. 2].

Anwendungsfelder

Cyber-Physische-Systeme sind in vielen Anwendungsfeldern prsent. Ein Auswahldieser:

medizinische Gerte und Systeme

industrielle Prozesssteuerungs- und Automationssysteme

Energieversorgungsmanagementsysteme

Fahrerassistenzsysteme fr Automobile

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Cyber-Physisches-System in der Industrie 4.0

Da physische Systeme mit informationsverarbeitenden Elementen verknpft werden,ist seit den 1970er Jahren gegeben. Der neue Aspekt bei Industrie 4.0 ist, dass dieseSysteme ber das Internet miteinander verknpft werden. Die Basis hierfr wur-de mit dem IdD geschaffen. Dieser Ansatz ermglicht eine neue Anwendungswei-se eines Cyber-Physischen-Systemes. Vorhandene Cyber-Physische-Systeme knnenmiteinander verbunden werden, um neue Anwendungsszenarien zu bewltigen. DieseVerbindungen sind nicht starr, wodurch flexible und zu einem neuen Anwendungs-fall entsprechende Kombinationen von Cyber-Physischen-Systemen mglich werden.Zum Beispiel ist es durch diese Vernetzung mglich, telemedizinische Gerte basie-rend auf vorhandenen Cyber-Physischen-Systemen der Medizin, zu entwickeln. Wei-ter knnen Cyber-Physische-Systeme (CPS) der produzierenden Industrie auf dieseWeise flexibel zusammengefgt werden, damit zgig auf individuellen Kundenwn-sche eingegangen wird oder um auch eine bessere Verteilung der Produktionslast zureagieren.

2.2 Computerhaptik

Industrie 4.0 strebt eine Kopplung von virtuelle mit physischen Objekten an. Einphysisches Objekt erhlt dafr ein virtuelles Pendant. Die gekoppelten Objektewerden Digital Twins genannt. Mit Sensoren, die an dem physischen Objekt an-gebracht sind erhlt das virtuelle Objekt die gemessenen Daten nach Mglichkeitin Echtzeit. Das knnen Koordinaten oder auch Informationen ber den Zustanddes physischen Objekts sein. Die Computerhaptik ist ist eine Form der Mensch-Computer-Interaktion. Sie ermglicht es durch die Kopplung eines Eingabegertsmit einem virtuellen Objekt in einer virtuellen Welt zu agieren. Das Eingabegertverfgt ber eine Kraftrckkopplung, wodurch ein intuitives Interagieren im virtuel-len Raum mglich wird. Fr eine realittsnahe Interaktion mssen die Eigenschaftender menschlichen Wahrnehmungsphysiologie eingehalten werden.

2.2.1 Wahrnehmung

Die Wahrnehmung spielt eine zentrale Rolle smtlicher Organismen fr das Erlebender eigenen Umwelt. Dieses Erleben beruht auf der Aktivitt der zur Verfgungstehenden Sinnesrezeptoren [10]. Somit ist die Wahrnehmung (Perzeption) nichts

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anderes als die Registrierung dieses Erlebens in Form von Reizen durch die vorhan-denen Rezeptoren. Menschen haben ein breites Spektrum an Sinnesrezeptoren umReize aufzunehmen und die Information derer durch das Nervensystem an das Ge-hirn weiterzuleiten. Der Mensch verfgt ber 5 bekannte Sinne, unter anderem dieWahrnehmung des menschlichen Tastsinnes, welcher fr die vorliegende Arbeit ent-scheidend ist. Die menschliche Haut beinhaltet nicht nur Rezeptoren fr Temperaturund Schmerz, sondern auch fr Druck und Vibration. Man unterscheidet zwischeneiner passiven und einer haptischen Wahrnehmung. Die passive Wahrnehmung me-chanischer Eindrcke wird auch als taktile Wahrnehmung bezeichnet und umfasstu.a. das Empfinden von Schmerz oder Temperatur. Die haptische Wahrnehmung ver-mittelt zum einen die Wirkung von mechanischen Reizen also auch Informationenber die Beschaffenheit von Gegenstnden, wie deren Oberflchenstrukturen.Fr diese unterschiedlichen Wahrnehmungen verfgt der Mensch ber spezifi-

sche Rezeptoren. Eines der wichtigsten Rezeptortypen des Menschen ist das Pacini-Krperchen, welches vermehrt in den Fingerspitzen vorliegt und Vibrationen wahr-nimmt. Die Pacini-Krperchen reagieren auf mechanische Schwingungen zwischen50 900Hz, ihre maximale Empfindlichkeit liegt bei ungefhr 300Hz [11, S.684].Somit knnen vibrierende Oberflchen bis zu einer maximalen Frequenz von ca.1000Hz aufgelst werden. [12, S. 25]

2.2.2 Haptische Interaktionsgerte

Haptische Interaktionsgerte dienen dem Anwender im virtuellen Raum, Objekte zuerfhlen, ertasten und auch zu ergreifen. Der Anwender bekommt als Besttigungder Interaktion eine Kraftrckkoppelung, die ber Motoren veranlasst wird. Manunterscheidet innerhalb der haptischen Interaktionsgerte zwischen kinsthetischenund taktilen Interaktionen.Die kinsthetische Interaktion umfasst Bewegungen, welche relativ groe Krf-

te bewirken, so dass Rezeptoren in den Muskulatur bzw. Knochen des Anwendersstimuliert werden. Bei der taktilen Interaktion werden vom Anwender langsame Be-wegungen ausgefhrt, wodurch Tastrezeptoren innerhalb der Haut stimuliert werdenund somit Oberflchenstrukturen wahrgenommen werden. Kraftrckkopplungssyste-me werden als passive oder aktive Interaktionsgerte entwickelt. Bei einem passivenInteraktionsgert folgt die Bewegung dem Anwender, dabei wird dieser nicht zu-stzlich untersttzt. Mit einem aktiven Interaktionsgert folgt der Anwender derBewegung des Interaktionsgerts.

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3 Stand der Technik

Die Arbeit befasst sich mit der Umsetzung von Konzepten im Industrie 4.0 Kon-text. Dafr soll in diesem Kapitel ein berblick der aktuell verfgbaren Technologiengeschaffen werden, mit denen sich die in dieser Arbeit entwickelten Konzepte reali-sieren lassen. Dafr werden Technologien aus dem Bereich der Automatisierungs-,Netzwerk- und Mikrocontrollertechnik vorgestellt.

3.1 Automatisierungstechnik

In diesem Abschnitt werden verfgbare Techniken zur Realisierung von Steuerungenund Regelungen vorgestellt.

3.1.1 Speicherprogrammierbare Steuerung (SPS)

Speicherprogrammierbare Steuerungen (SPS) bilden seit den 80er Jahren das Bin-deglied zwischen der Automation und der Computertechnik. Sie stellen eine Be-dienerschnittstelle zur Verfgung mit der jeder Benutzer Automatisierungssystemeoder Produktionsmaschinen von unterschiedlichen Perspektiven aus betrachten undprogrammieren kann. Die Steuerung der entsprechenden Maschinen und Anlagenerfolgt ber Aktoren, die von der speicherprogrammierbaren Steuerung ber Leis-tungsstufen angesteuert werden. [13]Vor der SPS wurden Steuerungen als Verbindungsprogrammierte Steuerung rea-

lisiert. Die Logik zur Steuerung eines Prozesses wurde mit fest verdrahteten Relaisoder Schtzen realisiert. Anzutreffen ist diese Art der Steuerung noch in Not-AusKreislufen von Anlagen. Diese mssen unabhngig von der SPS laufen. Eine SPSbesteht aus drei wesentlichen Komponente. Einem Betriebssystem, Eingngen undAusgngen. Das Betriebssystem fhrt die programmierte Steuerung aus. Das Pro-gramm gibt vor, in welcher Reihenfolge ein Eingang gelesen oder ein Ausgang gesetztwird. Die Steuerung kennt zu jeder Zeit des Programmablaufs die Werte, die an den

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Kapitel 3. Stand der Technik

Eingngen anliegen. Die Eingnge erhalten durch angeschlossenen Sensoren ihre Da-ten. An den Ausgngen sind Aktoren angeschlossen. Entwickelt hat sich die SPS voneinem geschlossenem System bestehend aus Computer, Betriebssystem und Ein- undAusgngen hin zu einer modularisierten Lsung. Dabei lassen sich die Module in vierGruppen einteilen:

1. Eine in Software implementierte SPS, die auf unterschiedlichen Computersys-temen als Laufzeitumgebung der programmierten Steuerung dient. GenanntSoft-SPS.

2. Ein Computersystem welches die SPS ausfhrt.

3. In separate Baugruppen aufgeteilte Ein- und Ausgnge.

4. Ein Feldbus der zur Kommunikation der Einzelnen Komponenten untereinan-der dient.

Neben der Soft-SPS hat sich noch die Slot-SPS etabliert. Das ist eine Karte diein einem Personal Computer (PC) verbaut wird. Diese Karte hat einen eigenenMikroprozessor. Der Mikroprozessor fhrt unabhngig von dem PC eine Steuerungaus. Weitere Baugruppen werden ber einen Feldbus an die Slot-SPS angebunden.[14]Im weiteren Verlauf werden ausgewhlte Steuerungslsungen vorgestellt, die fr

eine Umsetzung der Arbeit ntig sind. Dabei wird auch kurz auf die Komponentender Firma Beckhoff eingegangen. Dies geschieht vor dem Hintergrund, das Kompo-nenten des Herstellers in Systemen die in dieser Arbeit behandelt werden, im Einsatzsind.

Beckhoff

Die Firma Beckhoff bietet im Bereich der Automatisierungstechnik verschieden L-sungen fr eine Prozessautomation an. Diese teilen sich in folgende Felder auf:

Industrie PC (IPC): Die Steuerung wird in Form einer Soft-SPS auf einem Industrie-oder eingebetteten PC ausgefhrt. Es werden IPCs und eingebettete PCs ange-boten, die sich von der Konfiguration her zu einem PC in der Art des Gehusesund der Bauform unterscheiden. Dies ist ntig um die Gerte in einem Schalt-schrank verbauen zu knnen. Weiter wird damit garantiert, dass die Gertevor ueren Streinflssen in einem produzierenden Betrieb geschtzt sind.

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Input / Output (I/O): Zu dem Feld I/O zhlen die Busklemmen. Sie verbindenAktorik -und Sensorik mit der Steuerung. Die Busklemmen sind vom verwen-detem Bussystem unabhngig. Mittels eines Buskopplers wird die Verbindungzu den Busklemmen hergestellt. Buskoppler gibt es fr EtherCAT, Lightbus,PROFIBUS, Interbus, CANopen, DeviceNet ControlNet, CC-Link, Modbus.SERCOS und Ethernet.

Motion: Der Bereich Motion bietet verschiedene Servoverstrker fr die Ansteue-rung von Motoren. Die Servoverstrker haben den Regelkreis fr die Motorenbereits integriert. Zur Verfgung stehen positionsbasierte, strombasierte undgeschwindigkeitsbasiete Regelkreise.

Software: Fr die Entwicklung von SPS - Programmen wird die Entwicklungsumge-ben TwinCat bereitgestellt. TwinCat ist eine Erweiterung fr Microsoft VisualStudio. Mit TwinCat lassen sich Programme in verschiedenen Programmier-sprachen entwickeln. Dazu zhlen Kontaktplan, Anweisungsliste und Struk-turierter Text . Es wird sich an die IEC 61131 Norm gehalten. Weiter kannmit TwinCat das Programm auch in C und C++ entwickelt werden. Twin-Cat erlaubt es das Bussystem Online zu debuggen, sowie an das Bussystemangeschlossenen Komponenten manuell zu manipulieren. TwinCat ist nur frMicrosoft Windows erhltlich. Die Software ermglicht eine Echtzeitsteuerungunter einem Windows Betriebssystem.

[15]

Controller Development System (CoDeSys)

CoDeSys ist eine gerteunabhngige Entwicklungsplattform fr das Entwickeln vonSteuerungsprogrammen. Mit CoDeSys ist es mglich Steuerungen nach IEC 61131Norm zu entwickeln. Weiter gibt es die Mglichkeit in der Programmiersprache CRoutinen zu entwickeln und diese in die Steuerung zu integrieren.CoDeSys ist eine Entwicklungsplattform bestehend aus CoDeSys Engineering,

CoDeSys Runtime und weiteren Modulen fr Anwendungen nach der IEC 61131Norm.

CoDeSys Engineering ist eine integrierte Entwicklungsumgebung fr die Program-miersprachen nach IEC 61131 . Die Entwicklungsumgebung beinhaltet Com-piler fr eine Reihe von Zielplattformen (C166, TriCore, 80x86, ARM/Cortex,

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Power-Architecture, SH, MIPS, BlackFin). Der damit erzeugte Programmco-de kann auf eine ausgewhlte Zielplattform hochgeladen werden und auch mitHilfe eines Online-Debuggers im Betrieb auf Fehler getestet werden.

CoDeSys Runtime (auch CoDeSys Controll genannt) wird auf die gewnschte Ziel-plattform installiert. Die CoDeSys Runtime ist die Soft-SPS, welche den vonCoDeSys Engineering generierten Programmcode auf der Zielplattform aus-fhrt. Zu den Zielplattformen zhlen ARM/Cortex, x86 und viele mehr.

Real Time Application Interface

Real Time Application Interface (RTAI) ist eine Erweiterung fr den Linux-Kernel.Mit RTAI wird die Mglichkeit geschaffen, unter GNU/Linux Prozesse in Echtzeitim Userspace und Kernelspace auszufhren. Ein Standard Linux-Kernel wird dafrmit RTAI gepatched. Der Patch fgt einen Echtzeit-Kernel zwischen der Hardwareund dem Linux-Kernel ein. Weiter erhlt der Linux-Kernel ein neues Kernel-ModulNamens Realtime Hardware Abstraction Layer . Das Kernel-Modul Realtime Hard-ware Abstraction Layer ist die Schnittstelle zwischen dem Echtzeit-Kernel und demLinux-Kernel. Hardware Interrupts werden von dem Echtzeit-Kernel abgefangen undan die einzelnen Echtzeitprozesse weitergeleitet. Der Linux-Kernel selbst luft als einEchtzeitprozess von RTAI. [16]

3.2 Netzwerktechnik

In diesem Abschnitt werden Netzwerktechniken vorgestellt, die im Bereich der Auto-matisierungstechnik fr das Vernetzten von Baugruppen mit Steuerungsanlagen ge-nutzt werden. Verwendung in der Automatisierungstechnik finden verschieden Bus-systeme, die unter dem Oberbegriff Feldbus zusammengefasst werden.Ein Feldbus verbindet die Aktoren und Sensoren einer Anlage ber ein Bussystem

mit einer Steuerung. Unter der Verwendung von Kommunikationsprotokollen wer-den die Nachrichten mehrerer Teilnehmer ber den Bus verschickt. Die Nachrichtenbeinhalten die Mess- und Stellwerte, sowie Statusinformationen und eine Kennungdes Busteilnehmers. Feldbusse gibt es in Ausfhrungen verschiedenster Topologien.Dazu zhlen die Baum-, Ring, Stern- und Bustopologie. Eine Mischung verschiede-ner Topologien ist auch mglich. Feldbusse die in der Industrie Anwendung findensind nach IEC61158 und IEC61784 genormt. Das untersttzt die Verwendung von

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Komponente verschiedener Hersteller in einem gemeinsamen System.Vor der Einfhrung der Feldbustechnik wurde fr ein Vernetzten der Komponen-

ten die Parallelverdrahtung eingesetzt. Dabei wurde jedes Signal einer Komponentemit einer eigenen Leitung bertragen. Mit dieser Technik wurden sowohl analogewie auch digitale Signale bermittelt.Vorteile von Feldbussen gegenber der Parallelverdrahtung sind ein geringerer

Montageaufwand und eine hhere Flexibilitt. Weiter bieten Feldbussysteme Mg-lichkeiten zur Eigendiagnose. Nachteile sind die hheren Reaktionszeiten und inAbhngigkeit der verwendeten Bustopologie kann die Ausfallmglichkeit mehrererKomponenten zugleich steigen.Fr verschiedene spezifische Anwendungsfelder ist eine enorme Anzahl an unter-

schiedlichen Feldbussen entstanden. Beim Entstehen dieser Arbeit existierten weitber 50 verschiedene Feldbus Umsetzungen. Eine Auswahl relevanter Feldbusse frdiese Arbeit sind:

CAN ist ein serielles Bussystem fr die Vernetzung von Aktoren, Sensorenund Steuerungen. Er wird bevorzugt fr die Vernetzung von Komponenten inAutomobilen eingesetzt.

DeviceNet basiert auf CAN Bus. Es nutzt das Common Industrial Protocolfr die Datenbermittlung. Im Gegensatz zu CAN wird der Bus vermehrt inder Prozessautomation eingesetzt.

EtherCAT ist ein auf Ethernet basierendes Protokoll fr harte und weicheEchtzeitanforderungen in der Automatisierungstechnik.

EtherNetIP ist wie EtherCAT ein auf Ethernet basierendes Protokoll zu Er-fllung von Echtzeitanforderungen in der Automatisierungstechnik.

Interbus ist ein serieller Feldbus fr Sensoren, Aktoren und Steuerungen in derproduzierenden Industrie.

LIN-Bus ist ein serieller Feldbus fr die Vernetzung von Aktoren und Sensoren.Der Bus wird in Systemen eingesetzt, die nur eine geringe Bandbreite fr dieDatenbertragung bentigen.

Profibus ist ein Feldbus fr die Vernetzung von Aktoren, Sensoren und Steue-rungen in der produzierenden Industrie.

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[17]Folgend werden einige ausgewhlte Feldbussysteme genauer erlutert. Diese zeich-

nen sich durch Eigenschafte aus, die eine Umsetzung der Aufgabenstellung voran-treiben wrden.

3.2.1 EtherCAT

EtherCAT ist ein im IEC - Standard 61158 genormtes Protokoll, welches hauptsch-lich Anwendung im Automatisierungsbereich findet. Es zeichnet sich durch geringeZykluszeiten von unter 100s und einem Jitter von weniger als 1s.Eine Besonderheit von EtherCAT ist es, dass sich gngige Ethernetkarten mit

einer EtherCAT-Firmware flashen lassen. Diese sind danach als EtherCAT-Mastereinsetzbar. Diese Mglichkeit besteht fr die Betriebssysteme GNU/Linux und Win-dows [18, S. 1].

Funktionsprinzip

EtherCAT basiert auf Fast-EtherNet und benutzt ein Standard Ethernet-Frame zumversenden der Daten. Ein EtherCAT-Netzwerk besteht aus einem Master und n Sla-ves. In diesem Netzwerk wird ein Frame vom Master an Slave1 gesendet. von Slave1an Slave2 und dann an Slaven. Der Frame enthlt fr jede angeschlossene Stationenein Datagram. Ein Datagram enthlt das Prozessabbild aus einer angeschlossenenStation und eine eindeutige Identifikation. Das Prozessabbild beinhaltet alle Status-information und Prozessdaten einer Station.Beim Durchlauf des Frames durch eine Station werden die fr diese Station rele-

vanten Prozessdaten ausgelesen und mit einem kurzen Versatz das eigene Prozessab-bild im Datagram aktualisiert. Jeder Slave hat eine Gertebeschreibungsdatei. Indieser ist Festgelegt um was fr eine Slave es sich handelt (z. B. Sensor oder Aktor)und welches Kommunikationsprofil genutzt wird. Dieses muss vor Initialisierung desBusses dem Master mitgeteilt werden [18, S.7].

Topologie

EtherCAT untersttzt Ring- Baum- Stern- und Linientopologien. Zwischen zweiStationen (Master Slave oder Slave Slave) im EtherCAT Netzwerk kann einAbstand von bis zu 100m sein. Whrend des Betriebs knnen Teilnehmer entferntoder hinzugefgt werden [18, S. 6].

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Abbildung 3.1: Prozessdaten im EtherCAT Telegram [18, S. 7]

Protokolle

EtherCAT untersttzt neben EtherCAT auch die Verwendung anderer Kommuni-kationsprofile. Damit wird eine Migration von bestehenden Systemen hin zu Ether-CAT erleichtert. Um dies zu realisieren stellt EtherCAT noch ein Mailbox genanntesProtokoll zur Verfgung. Die Slaves geben den EtherCAT Master ber das Mailbox-Protokoll bekannt, welches bertragungsprotokoll sie nutzen mchten. Die verfg-baren Protokoll eines Slaves sind in seiner Gertebeschreibungsdatei hinterlegt. EinSlave kann mehrere Protokolle untersttzen [18, S. 13]. Folgende Kommunikations-profile sind implementiert:

CAN application protocol over EtherCAT (CoE) integriert Baugruppen diefr CANopen entwickelt wurden.

Servo drive profile over EtherCAT (SoE) integriert Baugruppen mit einer SerialRealtime Communication System (SERCOS) - Schnittstelle. Dazu zhlen vorallem Servoantriebe.

Ethernet over EtherCAT (EoE) erlaubt es, Ethernet Pakete aus dem Ether-CAT Netwerk an Ethernetteilnehmer zu schicken.

File over EtherCAT (FoE) erlaubt eine Aktualisierung der Firmware ber dasBussystem.

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Abbildung 3.2: Struktur der Kommunikationsprofile im EtherCAT Telegramm [18, S. 13]

3.2.2 Controller Area Network (CAN)

Der CAN Bus ist ein Bussystem, welches die Daten seriell ber zwei Leitungenbertrgt. Das CAN kann eine Buslnge von bis zu 500m haben. Es zeichnet sichvor allem durch seine einfache Verkabelung und weite Verbreitung aus. Die maximaleTeilnehmerzahl des Busses liegt bei 128. Das Bussystem wird berwiegend in derAutomobilindustrie eingesetzt, dient aber auch als Grundlage fr weitere Bussystemein der Automatisierungstechnik wie CANopen und DeviceNet.

Funktionsprinzip

Der CAN Bus hat vier verschiedene Typen von Frames. Einen Daten-Frame, einenRemote-Frame, einen Error-Frame und einen Overload-Frame. Im Daten-Frame wer-den die Prozessdaten eines Busteilnehmers bertragen. Der Remote-Frame forderteinen anderen Busteilnehmer auf, einen Daten-Frame zu schicken. Ein Error-Frameteilt allen Teilnehmern mit, dass ein Fehlerfall aufgetreten ist. Der Overload-Framegeneriert eine Empfangspause. Ist der Puffer des Empfngers voll, kann damit signa-lisiert werden das gerade kein Empfang von Daten mglich ist. Ein Frame hat eineeindeutige Identifikation. Diese ist gleichzusetzen mit der Identifikation des Busteil-nehmers. Die Prozessdaten, die mit einem Daten-Frame bermittelt werden, knnenoptional eine Objektidentifikation haben. Dadurch kann eine empfangende Stationentscheiden, ob die Nachricht fr sie relevant ist. Maximal knne 8Byte Nutzdaten

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mit dem Daten-Frame bermittelt werden. Jeder Teilnehmer im CAN Bus ist Mas-ter und es sind alle gleichberechtigt. Bei Kollisionen von Frames wird Carrier SenseMultiple Access/Collision Resolution (CSMA/CR) zur Behebung des Konflikts be-nutzt.

Topologie

Der CAN Bus kann als Linien- oder Sterntopologie aufgebaut werden. Die Leitungs-enden werden mit einem Abschlusswiderstand in der Gre von 120 terminiert.Die Leitungslnge ist abhngig von der gewhlten Datenbertragungsrate. Je hoherdie Datenbertragungsrate ist, desto krzer fllt die Leitungslnge aus (Tab. 3.1).

Leitungslnge bertragungsrate

40m 1MBit/s

100m 500kbit/s

500m 125kbit/s

Tabelle 3.1: CAN Bus Leitungslnge und bertragungsrate

Protokolle

Auf dem Controller Area Network (CAN) basieren weitere Protokolle. Diese sindan spezielle Anforderungen angepasst. Zu den Anpassungen gehren verschiedenphysische Stecksysteme und Protokollanpassungen an das geforderte Szenario. EineAuswahl der auf CAN basierten Bussysteme:

EnergyBus ist ein offener Standard fr Energiemanagementsysteme. Der Bus wirdfr eine Kombination aus Energie- und Datenbertragung genutzt.

CANopen ist eine fr die Automatisierungstechnik angepasste Version vom CAN.CANOpen fhrt als Kommunikationskonzept das Client-Server und das Erzeuger-Verbraucher Konzept ein. Weiter werden Kommunikationsobjekte festgelegt,die den Austausch von Prozessdaten regeln.

DeviceNet ist einer weiter fr die Automatisierungstechnik angepasste Version. Sielimitiert die Anzahl der Teilnehmer pro Netzwerksegment auf 64 und unter-sttzt drei whlbare bertragungsraten. Fr die bertragung von Daten wirddas Common Industrial Protocol genutzt.

[19]

17


3.2.3 Profibus DP

Profibus DP (Dezentrale Peripherie) ist ein Bussystem zur Ansteuerung von Senso-ren und Aktoren durch eine SPS. Das Bussystem kann nach dem Master-Slave oderMulti-Master Prinzip konzipiert werden. In einem Netzwerksegment sind bis zu 126Teilnehmer zugelassen. Die Daten werden seriell bertragen bei einer maximalenBuslnge von 1200m. [20]

Funktionsprinzip

Der Master liest die Daten aller Slaves zyklisch ein. Nach der Verarbeitung derInformationen durch den Master werden die Daten zyklisch an alle Slaves und Mastergeschickt. Profibus DP nutzt das Token Ring verfahren fr das bermitteln vonTelegrammen. Die Station die den Token hat ist berechtigt auf den Bus zuzugreifen.Profibus DP unterscheidet zwischen vier Telegrammtypen:

1. Keine Daten

2. Daten variabler Lnge von 4 249Byte

3. Daten fester Lnge sind 8Byte lang

4. Kurzquittierung ber den Erhalt eines Telegramms.

Zur Unterscheidung der Telegramme verfgt jeder Typ ber eine eigene Kennung.

Topologie

Profibus DB benutzt eine Mischung aus einer Ring- und Baumtopologie.

3.3 Mikrocontroller

Fr die Umsetzung der Aufgabenstellung werden Mikrocontroller von Bedeutungsein. In diesem Abschnitt wird der aktuelle Entwicklungsstand der Technik betrach-tet.Mikrocontroller sind Prozessoren, bei denen fr den Betrieb notwendige Kompo-

nenten wie der Speicher, Timer und die digitalen I/Os auf einem Chip integriertsind. Die Breite des internen Datenbus variiert zwischen 4, 8, 16 oder inzwischenauch 32Bit. Mikrocontroller zeichnen sich auch durch ihre kompakte Bauform und

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niedrigen Energiebedarf aus. Durch die Fertigungstechnik von heute, lassen sich in-zwischen die Mikrocontroller mit einem 32Bit groen Datenbus gnstig herstellen.Eine bersicht verbreiteter Mikrocontroller:

Atmel AVR ist eine auf der Reduced Instruction Set Computer (RISC)-Architekturbasierende Mikrocontroller Familie. Die verschiedenen Modelle unterscheidensich in der Gre des verbauten Speichers (Arbeitsspeicher sowie Flash-Speicher),der I/Os und der zur Verfgung stehenden Netzwerkschnittstellen

ARM Cortex-M ist eine Serie von Mikrocontrollern die sich durch eine 32Bitbreiten internen Datenbus auszeichnen. Weiter haben die Modelle mehrereNetzwerkschnittstellen integriert wie CAN-Bus, LIN-Bus und Serial PeripheralInterface (SPI).

Programmiert werden Mikrocontroller in der Regel in Assembler oder C. Her-steller wie Atmel AVR bieten Bibliotheken fr ihre Modelle an, um das Entwickelnzu erleichtern. Inzwischen lassen sich mit LabView von National Instruments Mi-krocontroller auf Basis der ARM-Architektur und der ATmega-Reihe von AVR mitgrafischen Werkzeugen wie LabView von National Instruments programmieren. Wei-ter hat sich mit dem Arduino Projekt ein eigenes kosystem entwickelt. Das Projektbietet von der Hardwareplattform ber die eigene Integrated Development Environ-ment (IDE) bis hin zu Erweiterungen der Hardware Lsungen an. Diese sprecheneher Einsteiger und Hobbie-Entwickler an. Weiter bieten sie aber die Mglichkeit an,auch die aus dem Professionellen Umfeld stammenden Entwicklungswerkzeuge wieAtmel AVR Studio oder das Compilerframework GNU Compiler Collection (GCC)zu nutzen.Fr die Umsetzung der Arbeit wurde im Vorfeld eine Vorauswahl an zu verwen-

dende Mikrocontroller getroffen. Diese werden in den Folgenden Abschnitten kurzvorgestellt.

3.3.1 Arduino UNO

Der Arduino UNO ist ein Mikrocontrollerboard mit einem AVR ATmega328 alsMikrocontroller. Das Board verfgt ber sechs analoge Eingnge, 14 digitale I/Osund wird mit einer Spannung von 5V betrieben. Ein externes Gert zum berspie-len eines Programms auf den verbauten AVR ATmega328 Mikrocontroller ist nichtntig. Auf dem Arduino UNO sind die dazu bentigten Teile verbaut. Der Arduino

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UNO kann mit sogenannten Shields erweitert werden. Das sind Platinen die wei-tere Hardwarefunktionen bereitstellen. Es gibt Shields die verschieden Typen vonNetzwerkadapter bereitstellen oder auch die Anzahl der I/Os erhhen.

3.3.2 Arduino DUE

Der Arduino DUE ist ein Mikrocontrollerboard mit einer Atmel SAM3X8E ARMCortex-M3 Prozessor. Das Board verfgt ber zwlf analoge Eingnge und 54 digita-le I/Os und hat eine Betriebsspannung von 3.3V. Weiter verfgt der Arduino DUEber zwei analoge Ausgnge und zwei CAN Bus Schnittstellen. Ein externes Ge-rt zum berspielen eines Programms Mikrocontroller ist nicht ntig. Der ArduinoDUE kann, wie der Arduino UNO, mit Shields erweitert werden. Es ist aber daraufzu achten, dass die meisten erhltlichen Shields fr eine Betriebsspannung von 5Vausgelegt sind. Eine Kompatibilitt mit dem Arduino DUE ist nicht garantiert.

3.3.3 Teensy 3.2

Der Teensy 3.2 ist ein Mikrocontrollerboard mit einer MK20DX256VLH7 Cortex-M4Prozessor. Die Prozessor basiert wie der SAM3X8E ARM Cortex-M3 des ArduinoDUE auf einer ARM Architektur. Das Board verfgt ber 34 digitale I/Os, 21 ana-logen Eingnge und einem analogen Ausgang. Eine CAN-Schnittstelle ist ebenfallsverbaut. Die Betriebsspannung liegt bei 3.3V. Im Gegensatz zu dem Arduino DUEsind die digitalen Eingnge 5V tolerant. Dadurch lassen sich Signale von Bauelemen-te die auf Transistor-Transistor-Logik (TTL)-Technik basieren, mit dem Teensy 3.2auswerten. Programme fr den Teensy 3.2 werden, wie die Produkte der ArduinoFamilien, mit der Arduino IDE entwickelt. Zum berspielen des entwickelten Pro-grammcodes wird ein separates Programm bentigt. Eine Besonderheit des Teensy3.2 ist seine geringe Baugre von 35mm 18mm.

3.4 Einplatinencomputer

Ein Einplatinencomputer hat die zum Betrieb ntigen Komponenten (Prozessor,Arbeitsspeicher, Schnittstellen u.v.m.) auf einer Leiterplatte verbaut. Dadurch wirdeine sehr kompakte Bauform erreicht. Die Abgrenzung zu einem Mikrocontrollerbesteht darin, dass die Komponenten auf einer Platine verteilt sind und das einBetriebssystem auf diesen Gerten luft. Dazu muss erwhnt werden das die Gren-

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zen flieend sind. Der Entwicklungstrend von Einplatinencomputer geht in RichtungSystem-on-a-Chip. Dabei wird versucht einen immer greren Teil der auf der Plati-ne verbauten Komponenten auf einem einzigen Chip unterzubringen. Eine Auswahlvon aktuellen Einplatinencomputer:

AVM Fritz!Box ist eine Familie von Routern und Telefonanlagen. Die Prozesso-ren basieren auf der MIPS-Architektur. Das Betriebssystem auf GNU/Linux.

Raspberry Pi ist eine Serie von Einplatinencomputer basierend auf Prozessorenmit der ARM-Architektur. Eine Besonderheit ist, dass fr dieses Systeme dieSoft-SPS des Hersteller 3S-Smart Software Solutions, CoDeSys, bereitgestelltwird.

Cubieboard ist eine Serie von Einplatinencomputer dessen Spezifikation Open-Source sind. Als Besonderheit bieten die Boards einen SATA Anschluss zurAnsteuerung von Festplatten (ausgenommen ist da Cubieboard4, es verfgtdafr ber einen USB 3.0 Anschluss).

Beagle ist eine Familie von Einplatinencomputer dessen Hardware-Design freiverfgbar ist.

Eine Detaillierte Beschreibung einiger ausgewhlter Einplatinencomputer, die Re-levante Kenndaten zur Bearbeitung der Arbeit haben ist den den folgenden Ab-schnitten nachzulesen.

3.4.1 Raspberry PI 2

Der Raspberry PI 2 ist ein Einplatinencomputer mit einer ARM Cortex-A7 CPU. Erverfgt ber vier Prozessorkerne und 1GB DDR2-SDRAM Arbeitsspeicher. Weitersind vier Universal Serial Bus (USB) 2.0 Schnittstellen und eine 100Mbit Ethernet-Schnittstelle verbaut. Der Raspberry PI 2 verfgt ber 40 General Purpose In-put/Outputs (GPIOs). Als Betriebssystem stehen mehrere GNU/Linux Varianten(Debian, ArchLinux, Ubuntu), Windows 10 IOT Core und RISC OS zur Verfgung.

3.4.2 BeagleBone Black

Das BeagleBone Black ist ein Einplatinencomputer mit einer ARM Cortex-A7 CPUund 512MB DDR3 Arbeitsspeicher. Weiter bietet der BeagleBone Black 69 digitaleI/Os, eine Ethernet-Schnittstelle, eine CAN-Schnittstelle und eine USB-Schnittstelle.

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Als Betriebssystem stehen mehrere GNU/Linux Varianten (Angstrom und Debian),FreeBSD und Android zur Verfgung. Es existieren noch weiter inoffizielle Betriebs-systeme fr das BeagleBone Black.Der Einplatinencomputer verfgt zustzlich zur CPU noch ber zwei verbaute

Programmable Real-Time Units (PRUs). Diese knnen bei der Softwareentwicklungdafr genutzt werden um direkten Zugriff auf die Verbauten GPIOs mit einer gerin-gen Zugriffszeit zu bekommen.

3.4.3 Texas Instruments ICE

Das Texas Instruments ICE hat eine ARM Cortex-A8 CPU und und 512MB DDR3Arbeitsspeicher. Es verfgt ber zwei Ethernet-Schnittstellen und 96 digitale I/Os.Das Board untersttzt die gngigen Bussysteme. Dazu gehren: PROFIBUS, CA-NOpen, EtherCAT, PROFINET und SERCOS. Als Betriebssystem kommt Real-Time Operating System von Texas Instruments zum Einsatz.Wie das BeagleBone Black verfgt das Texas Instruments ICE noch ber zwei

verbaute Programmable Real-Time Units.

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4 Konzepte

In diesem Kapitel werden verschiedene Konzepte erarbeitet, wie vorhandene oderneue Steuerungslsungen im Rahmen von Industrie 4.0 umgesetzt werden knnen.Es werden dabei unterschiedliche Systeme betrachtet und daraufhin Mglichkeitenaufgezeigt, wie diese sich mit dem Fokus auf Industrie 4.0, mit aktuellen Technikenrealisieren lassen.

4.1 Haptisches Interaktionsgert Graspit

Das am Fraunhofer IPK entwickelte System Graspit, ist ein haptisches Interaktions-gert mit sechs Freiheitsgraden. Graspit ermglicht Greifinteraktion in einer virtu-ellen Umgebung. Um eine zwei Wege Mensch-Maschine-Interaktion zu realisieren,darf der Regelkreis nicht unter eine Frequenz von 1000Hz ausgefhrt werden (sieheUnterabschnitt 2.2.1). Dieses wrde vom Anwender als ein Vibrieren des Systemswahrgenommen werden und eine realittsnahe Wahrnehmung wre nicht mehr ge-geben. Diese Voraussetzung wird vom Graspit-System erfllt. Der Regelkreis des In-teraktionsgerts und die Visualisierung sind voneinander entkoppelt. Dadurch kanndie Visualisierung mit einer Frequenz von 60Hz betrieben werden, whrend dasInteraktionsgert eine Regelfrequenz von 1000Hz hat. [21][22]

4.1.1 Aufbau des Graspit-Systems

Die Eingabehardware besteht aus zwei Phantom Premium 3.0 Gerten, die durcheinen Endeffektor miteinander gekoppelt sind (Abb. 4.1). Der Endeffektor ist va-riable und kann je nach Anwendungsszenario angepasst werden. Weiter kann dasGraspit-System auch mit nur einem Phantom Premium 3.0 betrieben werden. DieAnzahl der Freiheitsgrade halbiert sich dadurch. Die Software zum Koppeln derEingabehardware mit einem virtuellen Objekt in einer Simulation ist nach demClient-Server-Modell konzipiert. Der Server wertet die aktuellen Positionsdaten derEingabehardware aus und sendet diese an den Client. Der Client wiederum ist ein

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Kapitel 4. Konzepte

Abbildung 4.1: Das Graspit System[21, S. 11]

Teil der virtuellen Simulation und manipuliert die Position des gekoppelten virtu-ellen Objektes in Abhngigkeit der bertragenen Positionsdaten. Entstehen in dervirtuellen Szene Kollisionen, werden die dabei berechneten Krfte an den Servergesendet, der diese als Kraftrckkopplung auf dem Eingabegert wiedergibt.

Abbildung 4.2: Phantom Premium 3.0 (im Vordergrund)

Aufbau der Hardware

Das Graspit-System ist ein PC basiertes haptisches Interaktionsgert, das aus meh-reren Komponenten besteht:

Phantom Premium 3.0 ist das haptische Eingabegert der Firma Senseble, mitdem der Anwender interagiert. In Abhngigkeit von der Systemkonfigurationist ein Phantom Premium 3.0 oder zwei, welche dann miteinander gekoppeltsind, an das System angeschlossen. An jedem der drei Gelenken eines Phantoms

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Kapitel 4. Konzepte

sind ein Inkrementalgeber fr die Positionserfassung und ein Motor fr dieKraftrckkopplung verbaut. (Abb. 4.2)

ADDI-DATA APCI-1710 ist eine digitale Peripheral Component Interconnect (PCI)Multifunktionszhlerkarte. Mit dieser Karte werden die verbauten Inkremen-talgeber der Phantoms ausgelesen.

ADDI-DATA APCI-3120 ist eine analoge PCI I/O Karte zum Ansteuern der inden Phantoms verbauten Motoren.

Leistungsverstrker. Die sechs Leistungsverstrker verstrken das Steuersignal frjeden Motor. Die Anzahl ist abhngig von den angeschlossenen Phantoms. DieLeistungsverstrker sind in einem separaten Gehuse untergebracht.

Die beiden I/O-Karten sind in einem PC zur Steuerung des Systems eingebaut. Andie Multifunktionszhlerkarte sind die Inkrementalgeber angeschlossen. Die Aus-gnge der analogen I/O Karte sind mit den Leistungsverstrkern verbunden, dessenAusgnge an die Motoren der Phantoms angeschlossen sind (Abb. 4.3).

Aufbau der Software

Die Software fr das Graspit-System besteht aus drei Komponenten welche in derProgrammiersprache C implementiert sind:

Graspit-Treiber. Der Gertetreiber ist eine Eigenentwicklung des Fraunhofer IPK.Basierend auf den Gertetreibern fr die digitale und der analogen I/O Kartevon ADDI-DATA, stellt der Treiber die bentigten Grundfunktion zum aus-lesen der Inkrementalgeber und zum Ansteuern der Motoren aus dem User-space des Betriebssystems (hier GNU/Linux) zur Verfgung. Die Treiber set-zen einen Linux-Kernel in der Version 2.6.x voraus.

Graspit-Server. Der Graspit Server hat mit Hilfe des Treibers Zugriff auf die an dasSystem angeschlossenen Phantom Gerte. Aus den Daten der sechs Inkremen-talgeber (bzw. drei bei nur einem angeschlossenem Phantom Gert) wird diePosition des Endeffektors bestimmt (direkte Kinematik). Diese Informationenwerden ber ein Netzwerk bertragen und an den Client gesendet. Das ver-wendete bertragungsprotokoll ist das User Datagram Protocol (UDP). VomServer werden Krfte empfangen, die der Client aus der laufenden Simulati-on sendet. Diese werden mit der inversen Kinematik transformiert und durchAnsteuerung der Motoren wiedergegeben.

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Kapitel 4. Konzepte

Graspit-Client. Der Client wird in die Simulationssoftware integriert. In der Si-mulation wird ein virtuelles Objekt mit den Positionsdaten des Endeffektorsverknpft. Kollidieren beim Bewegen des Endeffektors zwei virtuelle Objekte,werden von der Simulation die auftretenden Krfte berechnet. Diese werdenan den Graspit Server gesendet.

4.1.2 Schematischer Aufbau des Graspit Systems

Abbildung 4.3: Das Graspit System - vereinfachte schematische Darstellung

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Kapitel 4. Konzepte

4.1.3 Analyse des bestehenden Systems

Das bestehende Graspit System hat nach heutigem Stand der Technik an vielenStellen Potential zur Optimierung. Die von der Firma ADDI-DATA verwendetenI/O-Karten nutzen in dem System einen eigens fr diesen Anwendungsfall entwickel-ten Linux Gertetreiber. Ein Problem darin besteht, dass Linux kein festes TreiberApplication Programming Interface (API) und Application Binary Interface (ABI)hat. Linux garantiert eine feste API und ABI nur zwischen Userspace Anwendungenund Linux. [23]Bei jedem Update von Linux muss geprft werden, ob der entwickelte Treiber

noch lauffhig ist. Gegebenenfalls muss dieser angepasst werden. Dadurch werdenUpdates evtl. aufgeschoben. Bei vernetzten Gerten, die mglicherweise ber einoffenes Netzwerk kommunizieren, stellt dies ein erhebliches Sicherheitsrisiko dar.Weiter ist die Modularitt dieses Konzepts nur in Teilen gegeben, wodurch die Er-

setzbarkeit einzelner Komponenten oder das Erweitern des System erschwert wird:Die Steuerung, die I/O-Karte sind ein starres, wenig flexibles PC-System. Eine einfa-che Erweiterung des Systems mit neuen Aktoren oder Sensoren ist mit einem hohemAufwand verbunden. Der Gertetreiber fr die I/O-Karten msste angepasst wer-den, sofern die neuen Sensoren und Aktoren berhaupt diese Karten untersttztwrden. Durch eine nderung des Treiberschnittstelle muss wiederum der Graspit-Server an die neue Treiberschnittstelle angepasst werden.Fr eine Verbesserung des Systems muss eine Lsung entwickelt werden, welche

die Abhngigkeit von dem verwendeten Treiber lst und die Modularisierung desSystems frdert.

4.1.4 Entwurf eines neuen Konzepts

Anforderungen

Bei der Entwicklung eines neuen Konzeptes fr das Graspit-System mssen folgendeAnforderungen an das Systems bercksichtigt werden:

1. Grundvoraussetzung fr ein haptisches Interaktionsgert ist es, dass eine Min-destfrequenz von 1000Hz fr den Regelkreislauf der Steuerung eingehaltenwird (siehe Unterabschnitt 2.2.1).

2. Die Modularitt des Systems sollte erhht werden, damit das Gert besser anspezifische Einsatzszenarien angepasst werden kann.

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Kapitel 4. Konzepte

3. Die Wartbarkeit und Pflege des Systems muss vereinfacht werden.

Mgliche Technologien

Um die aufgestellten Anforderungen zu erfllen, bieten sich ein Technologiewechselan. Von der zuvor individuellen Lsung hin zu einem neuen System, welches aufaktueller Steuerungstechnik basiert. Das System kann durch den Einsatz von Bus-klemmen, einem Feldbus zur Kommunikation und der Verwendung einer SPS weitermodularisiert werden. Das Bussystem verbindet die Busklemmen und die SPS mit-einander. Die SPS steuert das einlesen der Inkrementalgeber und die Ausgabe derSteuerstrme an die Motoren. Der Client fr die Simulationssoftware wird ber eineEthernet fhigen Busklemme mit der Steuerung verbunden (Abb. 4.4).

Abbildung 4.4: Schematische Darstellung des neuen Konzeptes fr das Graspit-System

Der zu verwendende Feldbus und die SPS mssen die in den Anforderungen be-stimmte Regelfrequenz von mindestens 1000Hz einhalten knnen. Die Gesamtzy-kluszeit bestehend aus Zeit, die der Feldbus braucht, um die Daten der Busteilneh-mer zu lesen oder zu schreiben und der Verarbeitung der SPS darf maximal 1ms(= 1000Hz) betragen. Dabei ist zu beachten, dass die Zykluszeit der SPS abhngigvon der Komplexitt des ausfhrenden Programms ist. Tabelle 4.1 verschafft einenberblick, der im Kapitel Stand der Technik vorgestellten Netzwerktechnologien.

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Kapitel 4. Konzepte

CANopen Interbus Profibus DP EtherCAT

Max. Teilnehmer pro Bus 127 256 126 65535Max. Ausdehnung je Segment 100m1 100m2 100m3 100mMin. Zykluszeit 1 10ms < 5ms 2ms4 50s5

Tabelle 4.1: Bussysteme im Vergleich

Aus der Tabelle 4.1 kann entnommen werden, dass fr die Umsetzung EtherCATdie aufgestellte Anforderung an die Zykluszeit erfllt. Die SPS kann als Soft-SPSrealisiert werden. Der Vorteil besteht darin, dass die Zykluszeiten fr den auszufh-renden Programmtask abhngig von der Rechenleistung des verwendeten PCs ist.Beckhoff TwinCat und Codesys Engineering geben als minimale Zykluszeit 50s an[25]. Eine Aussage ber die Komplexitt der Steuerung bei der angegeben minima-len Zykluszeit ist nicht vorhanden. Die angestrebte Minimalfrequenz von 1000Hzkann damit rechnerisch erreicht werden. Sollte die Rechenleistung nicht ausreichenum die Zykluszeiten einzuhalten, kann die Soft-SPS auf leistungsfhigerer Hardwareausgefhrt werden.

4.2 Haptikzelle

Die Haptikzelle ist ein sich am Fraunhofer IPK in Entwicklung befindendes hap-tisches Interaktionsgert mit drei Freiheitsgraden. Das Gert soll eine passive undauch aktive Interaktion ermglichen (siehe Unterabschnitt 2.2.2). Das Gert ist dafrausgelegt, eine maximale Kraft von 433N am Endeffektor aufzubringen. Die Haptik-zelle hat einen Arbeitsraum von 0.66 0.7 0.72m3 (Abb. 4.5). Mit der Haptikzellesoll es ermglicht werden das Heben und Verbauen von schweren Komponenten inder Fertigung zu simulieren.

4.2.1 Systemaufbau

Die Haptikzelle hat die geometrische Form eines Wrfels. Die zum Anwender liegen-de Seite ist offen. Von der geffneten Seite aus kann der Benutzer einen Endeffektor

1100 m (500 kbit/s), 1000 m (62,5 kbit/s)2zwischen 2 Gerten max. 400 m3100 m (12 Mbit/s), 1200 m (9,6 kbit/s)4Mit fnf Busteilnehmern und 5 Byte ad Daten im zyklischen Betrieb DP-V0. [24, S. 63]5Mit anlogen Busteilnehmern. Bei rein digitalen Busteilnehmern min. 10s.

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Kapitel 4. Konzepte

Abbildung 4.5: Haptikzelle Quelle: Faunhofer IPK

bedienen. Der Endeffektor ist ein Hebel, welcher ber einen Sensor mit der Hap-tikzelle verbunden ist. Der Sensor besteht aus drei Dehnungsmessstreifen. JederDehnungsmessstreifen misst die Bewegung einer Richtung, die auf den Hebel aus-gebt wird (x, y, z). Drei Motoren erlauben das Verfahren des Endeffektors. ZurPositionsbestimmung ist fr jede Achse ein Inkrementalgeber verbaut. An den An-schlgen der Achsen sind Sensoren zur Bestimmung des Endanschlags einer Achsemontiert.

4.2.2 Zielsetzung

Fr die Haptikzelle ist eine Steuerung zu entwickeln, um die gewnschte passive undaktive Interaktion zu realisieren. Das Gert soll darber hinaus mit seinem DigitalTwin (siehe Abschnitt 2.2) gekoppelt werden.

4.2.3 Hardware

Die Hardware besteht aus drei Servoverstrkern fr den Betrieb der Achsen und dreiBusklemmen zum einlesen der Messwerte der Dehnungsmessstreifen. Eine Busklem-me mit sechs digitalen Eingngen zur Bestimmung der Endanschlge ist ebenfallsverbaut. Die Komponenten sind durch einen EtherCAT-Bus miteinander vernetzt.

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Kapitel 4. Konzepte


Anforderungen

Fr eine mgliche Umsetzung der Zielsetzung mssen folgende Anforderungen ein-gehalten werden:

1. Die Hardware bei diesem System ist bereits vorgegeben, kann aber durch neueKomponenten, die in das Bussystem integriert werden, erweitert werden.

2. Eine Steuerung fr aktiv und passive Interaktion ist zu entwickeln.

3. Die Randbedingung einer Regelfrequenz von 1000Hz muss fr das Systemeingehalten werden (siehe Unterabschnitt 2.2.1)

4. Das System soll mit einem Digital Twin gekoppelt werden.

5. Aufgrund der Gre des Systems, muss eine durch den Benutzer veranlassteBewegung des Endeffektors durch die Motoren untersttzt werden.

Konzept

Um die gestellten Anforderungen zu erfllen, bietet sich die Verwendung einer Soft-SPS zur Realisierung der Steuerung der vorhandenen Hardwarekomponenten an. DieTabelle 4.1 zeigt auf, dass der verwendete Feldbus die Bedingungen einer Regelfre-quenz von 1000Hz erfllen kann. Die zur Auswahl stehenden SoftwaresteuerungenBeckhoff TwinCat und CoDeSys haben eine minimale Prozesszykluszeit von 50san. [25] Fr die Kopplung mit einem Digital Twin bietet sich das gleiche Sys-temschema wie fr das Graspit-System an (siehe Abbildung 4.4). Der Unterschiedbesteht nur in dem verwendetem Eingabegert.

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Kapitel 4. Konzepte

4.3 Bi-Manu-Track

Der Bi-Manu-Track ist ein von der Firma Reha-Stim vertriebenes Rehabilitations-gert. Mit dem Bi-Manu-Track knnen Patienten, die einen Schlaganfall erleidenmussten, drei isolierte Bewegungen der Hand und des Arms zur Steigerungen derMotorik ben (Abb. 4.6):

Pro- und Supination des Unterarms. Die Supination ist die Auswrtsdrehung desHandgelenks durch Rotation des Unterarms. Die Pronation ist die Gegenposi-tion zur Supination.

Flexion und Extension des Handgelenks. Die Flexion des Handgelenks ist die Beu-gung des Gelenks. Die Extension ist die Streckung des Handgelenks.

Flexion und Extension des Fingergrundgelenke. Die Flexion des Fingergrundge-lenke ist die Beugung. Extension ist die Streckung.

Abbildung 4.6: Bi-Manu-Track Pronation und Supination Quelle: http://www.reha-stim.de/

Die bungen erfolgen unter der Aufsicht eines Physiotherapeuten. Dieser whltfr den Patienten eine passende, dem Krankheitsbild entsprechende, bung aus.Unter Beaufsichtigung fhrt der Patient sein bungsprogramm aus. Mit dem Bi-Manu-Track ist eine vielfache Wiederholung von isolierten bungen mglich. Kon-sequent angewandt fhren bungen mit dem Bi-Manu-Track zu einer Verbesserungder motorischen Leistung des betroffenen Patienten. [26] [27]

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Kapitel 4. Konzepte

4.3.1 Zielsetzung

Im Rahmen des regionalen Innovationsclusters BeMobil mit dem FrderschwerpunktMensch-Technik-Interaktion soll das Gert um eine Netzwerkschnittstelle erweitertwerden. Die Anforderungen sind, dass Daten, die bei einer bung vom Bi-Manu-Track durch die Sensorik aufgenommen werden extern ausgewertet werden knnen.Weiter soll es ermglicht werden, dass zwei Bi-Manu-Tracks miteinander verbundenwerden. Ziel ist es dem Patienten zu ermglichen, sofern die Schwere der Bewegungs-einschrnkung es zulsst, die bungen auch von zu Hause aus durchzufhren. Diebungen werden aus der Ferne weiter von einem Therapeuten begleitet.

BeMobil

Im Zentrum des Vorhabens steht die Untersttzung motorisch eingeschrnkter Men-schen beim Wiedererlangen der eigenstndigen Bewegungsfhigkeit und Alltagsmo-bilitt. Adaptive technische Systeme und neue therapeutische Behandlungsanstzewerden gezielt auf die Bedrfnisse des Betroffenen ausgerichtet, um die Bewegungs-fhigkeit zu Hause und im Beruf wieder zu ermglichen. Ziel ist die Entwicklungneuartiger adaptiver Hilfsmittel und Therapiebungssysteme wie intelligente Pro-thesen, Orthesen (Korsett-Therapie), Reha-Roboter und Virtual-Reality-Systeme,die auf der direkten physische Interaktion zwischen Mensch und Technik basieren.[28]

4.3.2 Systemaufbau

Der Bi-Manu-Track ist ein eingebettetes Sytem. Fr den Therapeuten steht einDisplay und eine Tastatur zur Verfgung, um das gewnschte bungsprogrammauszuwhlen. Der Patient hlt wie in Abbildung 4.6 die beiden Endeffektoren. Soll-te dieser dazu krperlich nicht in der Lage sein, wird er an diesen festgeschnallt. Anden beiden Endeffektoren sind jeweils ein Motor angebracht. Im Inneren des Ger-tes befindet sich eine Platine der Firma Tigris. Sie wurde speziell fr dieses Gertentwickelt. Die Platine besteht im Kern aus einem Field Programmable Gate Array(FPGA), einem Mikrocontroller und zwei Endstufe, um die beiden Motoren zu be-treiben. Weiter sind Sensoren zur Messung der Strme, der anliegenden Spannungenund der Inkrementalgeber verbaut. [29]

Der Mikrocontroller DS80C320 von Maxim bernimmt die Steuerung des Bi-Manu-Tracks. Dazu zhlen die verschiedenen bungsprogramme fr die Patienten,

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Kapitel 4. Konzepte

die Regelung der Motoren sowie die Ansteuerung des FPGAs. Fr die Ansteue-rung des FPGAs sind unvernderliche Randbedingungen einzuhalten. Dieseresultieren aus der Implementierung des FPGAs. Der verbaute FPGA und derMikrocontroller sind durch einen 8 Bit breiten Adress- und Datenbus miteinan-der verbunden. Weiter kann der Betriebsmodus des Busses mit weiteren dreiSteuerleitungen eingestellt werden. Die Betriebsmodi sind Read, Write undAle. Read und Write wechseln zwischen Lese- und Schreibzugriff auf den ge-meinsamen Bus. Ale signalisiert dem FPGA, dass eine valide Adresse auf demBus geschrieben wurde. Der verbaute Mikrocontroller hat folgende technischeEigenschaften:

8 I/O Ports. Die 8 I/O Ports knnen zur Laufzeit vom BetriebsmodusEingang zum Betriebsmodus Ausgang und vice versa konfiguriert werden.Dies ist ntig, da der Adress- und Datenbus die selben acht Leitungenlesend und schreibend benutzt.

3 Ausgnge fr die Steuerleitungen Read Write und Ale.

Ein setzen der Ausgnge erfolgt parallel.

Fr die Ansteuerung der im FPGA verfgbaren Funktionsblcke Positi-onserfassung fr die Inkrementalgeber, PWM-Signalgenerierung fr dieEndstufe und das Messen der am Motor anliegenden Kraft bentigt derMikrocontroller die Zeit von 20s (= 20kHz).

Der Field Programmable Gate Array (FPGA) EPF10K10LC84 von Altera hatmehrere Funktionsblcke fr die Ansteuerung der angeschlossenen Hardware-komponenten. Diese werden ber den gemeinsamen Adress- und Datenbus vonMikrocontroller und FPGA angesprochen. Das Programm des FPGAs wirdnach dem Einschalten des Bi-Manu-Tracks aus einem verbauten EEPROMgeladen. Folgende Funktionsblcke stellt der FPGA dem Mikrocontroller be-reit:

PWM-Signalgenerierung fr Endstufe 1

PWM-Signalgenerierung fr Endstufe 2

Positionserfassung fr Inkrementalgeber 1

Positionserfassung fr Inkrementalgeber 2

Zugriff auf den Analog -/ Digitalwandler (auswerten der Motorstrme)

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Kapitel 4. Konzepte

Ausgangsport fr Tastaturabfrage

Ausgangsport fr Speicherbankumschaltung

Ansteuern der Funktionsblcke

Um mit dem verbauten Mikrocontroller einen Funktionsblock anzusteuern, wirddie Adresse des anzusteuernden Funktionsblocks auf den Bus geschrieben und dasSignal Write gesetzt. Mit dem Signal Ale wird dem FPGA signalisiert, dass einevalide Adresse auf dem Bus liegt. Der FPGA ldt den an der angeforderten Adressehinterlegten Wert aus dem Datenregister und schreibt diesen auf den Bus sobald dasSignal Read gesetzt wird. Der Mikrocontroller kann den hinterlegten Wert daraufhinvom Bus lesen und weiterverarbeiten.

Abbildung 4.7: Schematische Darstellung Systemaufbau Bi-Manu-Track

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Kapitel 4. Konzepte


Anforderungen

Damit der Bi-Manu-Track mit einer Netzwerkschnittstelle nachgerstet werden kann,mssen mehrere Punkte beachtet werden:

1. Eine komplette Neugestaltung der Hardware ist in diesem Fall nicht mglich.Fr bestehende Systeme soll die Mglichkeit geschaffen werden, die neuenFunktionen nachzursten.

2. Der Bi-Manu-Track ist ein Gert welches fr den Betrieb im klinischen Um-feld zugelassen ist. Fr diese Zulassung muss das Gert eine EMV-Prfungbestehen. Um ein Bestehen mit wenigen Anlufen zu gewhrleisten, sollte dieVernderungen zum bestehenden System mglichst gering ausfallen.

3. Die Ansteuerung der Funktionsblcke (Inkrementalgeber, Motorstrom undPWM-Signalgenerierung) mit einer Zeit von maximal 20s muss eingehaltenwerden. Bei Unterschreitung besteht die Mglichkeit, dass die Regelung derMotoren zu trge wird. Dies kann zu ruckhaften Bewegungen der Endeffekto-ren fhren oder auch zu einem Nachschleppen der Endeffektoren bei Ausbungeiner Kraft auf diese in Bewegungsrichtung.

4. Fr die Ansteuerung des Adress- und Datenbusses mssen die I/Os der Steue-rung im Betrieb von Eingang auf Ausgang und vice versa konfiguriert werdenknnen.

5. Die Daten mssen parallel auf den Adress- und Datenbus geschrieben werdenknnen. Eine kaskadierte Ausgabe von Daten auf den Bus fhrt zu einem nichterwnschten Bitmuster und kann zu einem Fehlverhalten des Systems fhren.

6. Die Schalttechnik der Platine ist Transistor-Transistor-Logik (TTL)-Technikund mit einer Betriebsspannung von 5V ausgefhrt. Fr den Fall der Verwen-dung eines Mikrocontrollers auf Complementary metal-oxide-semiconductor -Technik muss eine Lsung fr die unterschiedlichen Signalpegel gefunden wer-den.

Konzept

Um den aufgestellten Anforderungen gerecht zu werden bieten sich zwei Lsungs-anstze an. Es kann ein Netzwerkadapter auf der Systemplatine integriert werden.

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Kapitel 4. Konzepte

Dafr muss das Programm des FPGAs mit einer neuen Funktion zur Ansteuerungangepasst werden. Als zweite Option bietet sich an, den im Bi-Manu-Track verbau-ten Mikrocontroller zu entfernen und den Sockel als Schnittstelle zu dem System zubenutzen. Die Ansteuerung des FPGAs mit einem Mikrocontroller ist dokumentiert,die Ansteuerung der verbauten Hardware durch den FPGA ist nicht dokumentiert.Durch diesen Umstand wird vom ersten Lsungsansatz Abstand genommen. [29]Die Verbindung von Mikrocontroller und FPGA erfolgen ber elf Leitungen. Acht

sind, wie zuvor erwhnt, fr das Schreiben und Lesen des Adress- und Datenbus-ses ntig. Zwei weitere dienen zum Umschalten zwischen Lese- und Schreibzugriffauf den gemeinsamen Bus. Zustzlich ist die Leitung Ale, ein Strobe Signal fr diebernahme einer validen Adresse vom Bus in den FPGA. Fr das Einschalten ei-nes verbauten Lautsprechers ist eine weiter Leitung vorhanden. Der Lautsprecherkennt nur die Zustnde eingeschaltet oder ausgeschaltet. Die restlichen Kontaktedes Sockels auf der Systemplatine sind nicht belegt.Anstelle des vorhandenen Mikrocontrollers kommen mehrere Mglichkeiten in Be-

tracht, wie dieser ersetzt werden kann. Diese mssen die Steuerung des Bi-Manu-Tracks bernehmen und das Gert um eine Netzwerkschnittstelle erweitern. Folgen-de Konzepte sind realisierbar:

1. Ein Adapter fr den Sockel wird konstruiert. Dieser Adapter fhrt den gemein-samen Adress- und Datenbus, die drei Steuerleitungen und die Leitungen frden Lautsprecher heraus. Die Leitungen werden auf eine parallele Schnittstelleeines PCs gefhrt, die im Enhanced Parallel Port Modus luft. Die Steuerungwird von einem PC ausgefhrt. Als Betriebssystem kann eine Linux Distribu-tion eingesetzt werden. Damit die Ansprche fr eine Regelung erfllt werdenknnen, empfiehlt sich GNU/Linux mit der Erweiterung Real Time Applicati-on Interface zu nutzen. Die Ethernet-Schnittstelle des PC wrde zur Kopplungzweier Bi-Manu-Tracks und zum Weitergeben der erfassten Sensorwerte die-nen.

2. Eine weitere Option besteht darin, einen Einplatinencomputer oder Mikro-controller mit gengend GPIOs mit dem Sockel auf der Platine zu verbinden.Dafr bieten sich folgende Gerte an:

Der BeagleBone Black hat zwei PRUs, die eine zeitkritische Ansteuerungder I/Os erlaubt. Weiter verfgt er ber eine Ethernet-Schnittstelle.

Arduino UNO, Arduino DUE und der Teensy 3.2 knnten Aufgrund ihrer

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Kapitel 4. Konzepte

kompakten Bauform mit einem zu entwickelnden Adapter direkt auf denSockel gesteckt werden. Netzwerkfunktionalitt ist bei allen, bis auf denArduino UNO, vorhanden. Diese kann aber mit einem Shield nachgerstetwerden.

Der Raspberry PI 2 verfgt ber eine Ethernet-Schnittstelle und gen-gend I/Os

Das Texas Instruments ICE luft mit einem Echtzeitbetriebssystem undhat wie das BeagleBone Black zwei PRUs. Zudem verfgt das Texas In-struments ICE ber eine Implementierung EtherCAT, Ethernet und wei-teren Netzwerktechniken.

Fr alle Konzepte muss ein Adapter entwickelt werden, um die Steuerung mitdem Bi-Manu-Track zu verbinden. Weiter muss bei den vorgestellten Konzep-ten zur Realisierung der Zielsetzung evaluiert werden, damit die aufgestelltenRahmenbedingungen eingehalten werden knnen.

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5 Umsetzung

Im letzten Kapitel wurden verschieden Konzepte erarbeitet, wie bereits vorhandeneSteuerungen oder auch neue Steuerungen mit den Anforderungen an Industrie 4.0realisiert werden knnen. Von diesen Konzepten wurden zwei ausgewhlt und dieseumgesetzt. Ausgewhlt fr eine Umsetzung wurden das Graspit-System und derBi-Manu-Track.

5.1 Graspit-System

Das im vorherigen Kapitel entwickelte Konzept fr das Graspit-System wird mit aus-gewhlten Soft- und Hardwarekomponenten umgesetzt, welche in diesem Abschnitterlutert werden.

5.1.1 Hardware

Fr den Aufbau wird ein Raspberry PI 2 als Zielplattform fr die Soft-SPS ver-wendet. Der Raspberry PI 2 verfgt ber eine Ethernet Schnittstellen und bereinen Universal Serial Bus (USB), an den eine weiter Ethernet-Schnittstelle ange-schlossen wird. Die bereits vorhandene Ethernet-Schnittstelle wurde fr den Betriebals EtherCAT-Master konfiguriert. An die EtherCAT-Master-Schnittstelle wird einEtherCAT Buskoppler angeschlossen. Dieser dient als Verbindung zu den EtherCAT-Busklemmen. Die EtherCAT-Busklemmen bestehen aus einer analogen Ausgangs-klemme (Beckhoff EL4038) und einem digitalem Inkremental-Enkoder-Interface (Beck-hoff EL5101). An die EtherCAT-Busklemmen wird der Leistungsverstrker und andiesen der Phantom Premium 3.0 angeschlossen. Die Ethernet-Schnittstelle dientzur Kommunikation mit dem Client. (Abb. 5.1 ohne Leistungsverstrker).

Raspberry PI 2 wurde ausgewhlt, da CoDeSys dieses System als Zielplattformanbietet. Dadurch lsst sicher der Raspberry PI 2 als Soft-SPS verwenden.

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Kapitel 5. Umsetzung

Beckhoff EK1100. Der Koppler EK1100 verbindet EtherCAT mit den EtherCAT-Klemmen (ELxxxx). Eine Station besteht aus einem Koppler EK1100, einerbeliebigen Anzahl von EtherCAT-Klemmen und einer Busendklemme.[30] DieBusendklemme terminiert den Feldbus. Weiter hat sie keine Funktion.

Beckhoff EL5101. Die EtherCAT-Klemme EL5101 ist ein Interface zum direktenAnschluss von Inkremental-Enkodern. Fr je einen an dem Phantom verbau-ten Inkrementalgeber wird eine EL5101 bentigt. Es knnen vier MillionenInkremente in der Sekunde ausgewertet werden.

Beckhoff EL4038. Die analogen Ausgangsklemme EL4038 erzeugt Signale im Be-reich von -10 bis +10V, mit einer Auflsung von 12Bit. Die Wandlungszeitdes Signals betrgt ca. 400s.

Maxon ADS 4-Q-DC. Der Maxon ADS 4-Q-DC ist der genutzte Leistungsverstr-ker. Die Ausgabe der Beckhoff EL4038 wird mit diesem verstrkt.

Spannungsversorgung Die Spannungsversorgung der Komponenten erfordert un-terschiedliche Netzgerte. Fr den Leistungsverstrker wird ein 5V Netzteilmit einem max. Ausgangsstrom von 20A verwendet. Die Busklemmen werdenmit einem 24V/2A Netzteil, und der Raspberry PI mit einem 5V/2A Netzteilversorgt.

Die Komponenten wurden in einem Schaltschrank verbaut.

Schematischer Aufbau

5.1.2 Software

Die Entwicklung der Steuerung wurde mit dem CoDeSys Development System durch-gefhrt. Als Programmiersprache wurde Strukturierter Text ausgewhlt. Beim Pro-grammieren von Steuerungen ist zu beachten, dass der Programmablauf zyklischausgefhrt wird. Physische Eingnge werden zu Beginn eingelesen, die program-mierte Logik des Programms wird ausgefhrt und am Ende des Programms wer-den berechnete Werte an den physischen Ausgngen gesetzt. Daraufhin beginnt derProgrammzyklus erneut. Es ist nicht mglich whrend eines Zyklus einen Ausgangmehrmals mit unterschiedlichen Werten zu setzen. Nur der letzte Wert wird gesetzt,die zuvor gesetzten Werte gehen verloren. Die CoDeSys Runtime wurde auf demRaspberry PI 2 unter Debian 7 installiert. Debian 7 wurde leicht angepasst, indem

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Abbildung 5.1: Das neue Grapsit-System - schematische Darstellung

alle nicht bentigten Pakete entfernt wurden. Dazu zhlen die grafische Oberflchebis hin zu vorinstallierten Server.Die Kinematiken des Graspit-Systems wurden in ein separates Softwaremodul

ausgelagert und sind nicht mehr Teil der Steuerung. Sie werden per UDP mit demSystem verbunden. Dies entspricht dem im vorherigen Kapitel vorgestellten Graspit-Server, ohne Hardwareansteuerung. Durch die Umgestaltung der Softwarearchitek-tur wurde die Modularitt auch softwareseitig erhht.

5.1.3 Steuerung

Durch die Modularisierung der Hardware und Auslagerung der Kinematiken isteine sehr einfache Steuerung entstanden. Zu Beginn des Programmablaufs wirddas EtherCAT-E/A-Abbild ausgewertet. Das EtherCAT-E/A Abbild-beinhaltet alleWerte, die an den EtherCAT Busklemmen anliegen, gerade ausgeben werden undalle weiteren Statusinformation die zur Verfgung stehen. Zu den Statusinformationgehren Information die den Zustand des Busses und der Busklemmen beinhalten.Im nchsten Schritt wird die Funktion init aufgerufen. Diese initialisiert im ersten

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Durchlauf des Programms einen UDP - Socket und die Startwerte der Inkremental-geber. Ab dem zweiten Durchlauf werden die Werte an den Inkremental-Enkodernaus dem EtherCAT-E/A-Abbild ausgelesen und mit der Funktion sendUDP an dieKinematik geschickt. Die empfangenen Krfte werden daraufhin in das EtherCATE/A Abbild geschrieben und an den Busklemmen ausgegeben. Die Zykluszeit frden SPS Prozess wurde auf eine 1ms(= 1kHz) festgesetzt. Die Einstellung der Zy-kluszeit wird in CoDeSys Engineering vorgenommen.

Programmablaufplan

EtherCat E/A Abbild

setupUDPinit?

true

receiveForceUDP

false

sendEncoderUDP

EtherCat E/A Abbild

initEncoders

Abbildung 5.2: Programmablaufplan SPS

5.2 Bi-Manu-Track

Im Kapitel Konzepte wurden mehrere Optionen vorgestellt, die es ermglichen dieerforderliche Umrstung des Bi-Manu-Tracks vorzunehmen. Bevor es an die eigent-liche Umsetzung geht, muss evaluiert werden, ob sich die Konzepte umsetzen lassen.

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5.2.1 Evaluation

Die zur Auswahl stehenden Plattformen werden daraufhin geprft ob sie folgendeKriterien erfllt:

1. Das parallel Setzen von acht Ausgnge zur Ansteuerung des Adress- und Da-tenbusses.

2. Das Einhalten der Regelfrequenz von mindestens 20kHz.

3. Die Schaltfrequenz der Ausgnge liegt im hochfrequenten1 Bereich. Es ist dar-auf zu achten,dass kein Jitter auftritt. Jitter fhrt zu einem verstrkten Sym-bolbersprechen welches zu einem fehlerhaften Bitmuster bei Schreibzugriffenauf den Adress- und Datenbus fhren kann.

Testfeld

Fr die Evaluation der verschiedenen Plattformen wurde ein Testfeld aufgebaut.Zwei an die zu untersuchende Plattform angepasstes Testprogramm wurde geschrie-ben und mit Hilfe eines Oszilloskops wurden die Messungen vorgenommen.

Das erste Testprogramm konfiguriert zwei I/Os als Ausgnge und schreibtin einer Schleife die Bitmuster 11 gefolgt von 00 (Abb. 5.3). Ein Oszilloskopwurde an zwei Ausgnge der jeweiligen Plattform angeschlossen. Mit dem Os-zilloskop wurde berprft, ob die Ausgnge parallel oder nacheinander gesetztwerden. Das Ergebnis lsst sich anhand der Phasenverschiebung der gemesse-nen Signale zueinander vom Oszilloskop ablesen (Abb. 5.5).

Das zweite Testprogramm fhrt einen simulierten Programmablauf fr die Re-gelung der verbauten Motoren durch. Dabei wird der Lese- und Schreibzugriffauf den gemeinsamen Bus von Mikrocontroller und FPGA nachgebildet. Zielist es herauszufinden, ob eine minimale Regelfrequenz von 20kHz eingehaltenwerden kann. Die Ansteuerung der Hardwarekomponenten, die durch den imSystem verbauten FPGA erreichbar sind, folgen einem einheitlichen Schema.Die Adresse der bentigten Komponente wird auf den Adressbus geschrieben.Dann stellt der FPGA die angeforderten Daten auf dem gemeinsamen Busbereit und der Mikrocontroller liest die Daten ein.

1Nach EMV-Normung bei 9kHz beginnend [31]

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Das fhrt zu folgendem Testprogramm:

1. 8 I/Os werden als Ausgang konfiguriert

2. Eine Adresse wird auf den gemeinsamen Bus geschrieben.

3. Die 8 I/Os aus Punkt 1 werden als Eingnge konfiguriert.

4. Daten werden vom Bus gelesen.

5. Operation 1-4 werden sechsmal in Folge ausgefhrt, um einen Regelkreisfr zwei Motoren zu simulieren. Die Operationen stehen fr das Ansteuernfolgender Funktionsblcke des FPGAs:

a) Zugriff auf den Analog -/ Digitalwandler (auswerten des Motorstroms)

b) Positionserfassung fr Inkrementalgeber

c) PWM-Signalgenerierung fr Endstufe

Die mit dem Testprogramm eingelesenen Daten werden fr eine sptere Aus-wertung gespeichert. Eingelesen wurden die Bitmuster 0xFF, 0x00, 0xAA und0x55. Das Bitmuster lag 5s an den I/O an. Mit einem Oszilloskop wurde dieMessung der Laufzeit durchgefhrt. Dafr wird zu Beginn des Programm-durchlauf ein weiterer Ausgang gesetzt und vor Beendigung zurckgesetzt.(Abb. 5.4).

start

terminate

configure_two_outputs

write_out "00"

write_out "11"

Abbildung 5.3: Programmablaufplan Testpro-gramm 1

start

terminate

1 configure_outputs

2 write_outputs "10101010"

4 read_inputs

3 configure_inputs

input_data_store

Abbildung 5.4: Programmablaufplan Testpro-gramm 2

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Auswahl und Konfiguration der zu testenden Gerte

1. Fr die PC basierte Lsung wurde ein eingebetteter PC ausgewhlt. Der ver-baute Prozessor ist ein Intel Core i5 und das System verfgt ber 2GB Ar-beitsspeicher. Aufgrund seiner geringen Gre von 15cm * 20cm lsst er sichin dem Gehuse des Bi-Manu-Tracks verbauen. Der PC verfgt ber zweimini PCI-Express Schnittstellen. Diese werde fr die Nachrstung eines Par-allelports genutzt. Zur Verfgung standen zwei PCI Express Karten mit demChipsatz Oxford OXPCIe952 und dem Moschip MCS9901. Das Betriebssys-tem Debian 7 wurde installiert. Der vorinstallierte Linux-Kernel wurde entferntund aus den Linux-Quellen ein mit RTAI gepatchter neuer Kernel eingerichtet.Das System erfllte damit die Anforderungen an einen Echtzeitbetrieb. DieTestprogramme fr diese System wurde als Linux Kernel Module realisiert,welches den Parallelport ansteuert. Unter Verwendung eines Timers wurde dieZykluszeit fr die Ansteuerung des Parallelports auf 20kHz begrenzt. OhneBegrenzung des Takts ist eine Messung nicht mglich. Das verwendete Oszil-loskop hat einen Messbereich bis 2Mhz.

2. Das Texas Instruments ICE Board nutzt ein eigenes Betriebssystem TI Real-Time Operating System (RTOS). Weiter gibt es eine eigene auf Eclipse ba-sierende Entwicklungsumgebung fr das System. Mit dieser Entwicklungsum-gebung wurden die Testprogramme implementiert, welches die PRUs fr dieAnsteuerung der I/Os verwendet.

3. Das BeagleBone Black wurde mit Debian 7 betrieben. Eine Echtzeiterweite-rung fr diese Plattform in Form von RTAI ist nicht verfgbar. Diese existiertfr ARM basierte Prozessoren zu diesem Zeitpunkt nicht. Fr die Ansteuerungder I/Os wurden die PRUs verwendet.

4. Die drei Mikrocontroller Arduino UNO, Arduino DUE und Teensy 3.2 tei-len sich eine Softwareplattform. Das Testprogramm fr diese Plattformen istidentisch.

5. Der Raspberry PI 2 wurde mit Debian 7 betrieben. Eine Echtzeiterweiterungfr diese Plattform in Form von RTAI ist nicht verfgbar. Diese existiert frARM basierte Prozessoren zu diesem Zeitpunkt nicht.

Die Testprogramme wurden auf allen Plattformen in der Programmiersprache Cimplementiert. Fr alle Plattformen besteht die Mglichkeit Ein- und Ausgnge

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einzeln oder mehrere Ein- und Ausgnge gleichzeitig zu setzen. Die letzte Mglichkeitwurde fr alle Tests ausgewhlt.

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Testergebnisse

Nach Durchlaufen der Testprogramme stehen noch zwei mgliche Lsungsanstzezur Auswahl, der Arduino UNO und der Arduino DUE. Beide Systeme erfllen diegestellten Anforderungen. Die geforderte Regelfrequenz von 20kHz wird eingehaltenund auch noch weit bertroffen. An den Ausgngen tritt kein Jitter auf und dieAusgnge setzen parallel das Ausgangssignal.Der PC mit den verbauten Parallelportkarten wies als einziges getestetes System

einen Jitter auf. Um Fehler in der Implementierung auszuschlieen, wurde zustzlichnoch ein PC System mit nativen Parallelport getestet. Dort trat kein Jitter bei denMessungen auf. Es lsst die Vermutung zu, dass ein Problem mit der Verwendungder PCI-Express Erweiterungskarten existiert. Dies lie sich Aufgrund fehlender, ver-gleichbare Systeme nicht berprfen. Das PC System mit dem nativen Parallelportstand fr eine Realisierung der Lsung nicht zur Verfgung.

Abbildung 5.5: Messung Testprogramm 1, Texas Instruments ICE

Das BeagleBone Black, der Raspberry PI 2 und der Teensy 3.2 zeigen beim erstenTestprogramm ein Phasenverschiebung der zwei Ausgangssignale von 45 bis 90.Die Ausgnge bei diesen Plattformen knnen nicht parallel geschaltet werden. DasTexas Instruments ICE Board erreicht die gefordert Regelfrequenz nicht.Der zweite Test beinhaltet noch das Einlesen von Daten. Hier zeigt sich das der

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BeagleBone Black, der Raspberry PI 2 und der Teensy 3.2 beim Auswerten desDatenspeichers Fehler in den eingelesenen Bitmustern aufweist.

Plattform Testprogramm 1 Testprogramm 2 Jitter2

PC mit Oxford OXPCIe952 0 20kHz jaPC mit Moschip MCS9901 0 20kHz jaTI ICE 0 13kHz neinBeagleBone Black 90 1, 2kHz neinArduino UNO 0 2Mhz neinArduino DUE 0 444, 4kHz neinTeensy 3.2 45 285, 71kHz neinRaspberry PI 2 90 5kHz nein

5.2.2 Entwicklung einer Systemschnittstelle

Aus der Evaluation geht hervor, das der Arduino UNO unter der Arduino DUE frein Umsetzung geeignet sind. Der Arduino DUE wurde ausgewhlt. Der Vorteil liegtin der bereits vorhandenen CAN-Bus-Schnittstelle. Mit dieser kann eine Kopplungvon zwei Bi-Manu-Tracks realisiert werden. Damit die CAN-Bus-Schnittstelle desArduino DUE genutzt werden kann, wird ein Transceiver im Adapter verbaut. Die-ser ist auf dem Board des Arduino DUE nicht integriert. Weiter kann eine externeAuswertung der Sensorwerte erfolgen. Fr die Umsetzung muss eine Adapter entwi-ckelt werden, die in freien Sockel der Platine des Bi-Manu-Tracks gesteckt werdenkann.

Eagle

Fr die Entwicklung des Adapters wrde das Programm Eagle benutzt. Mit Eaglewurde ein Schaltplan und eine Platinenlayout fr eine sptere Fertigung erstellt.Eagle ist ein Programm zur Entwicklung von bestckbaren Leiterplatinen. Das Pro-gramm ist in zwei Komponenten aufgeteilt:

1. Schaltplan-Editor

2. Layout-Editor

2Bei den Versuchen trat kein messbarer Jitter auf oder der Jitter war so gro, dass das Signalnicht mehr verwertbar war.

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Mit dem Schaltplan-Editor wird die zu entwickelnde Schaltung erstellt. Der Schaltplan-Editor enthlt alle grundlegende Bauelemente aus der Elektro- und Digitaltechnik.Fehlende Bauelemente knnen importiert oder selbst erstellt werden. Das Platinen-layout wird aus dem Schaltplan generiert. Im Layout-Editor kann das Platinenlayoutfr eine sptere Fertigung bearbeitet werden.

5.2.3 Schaltplan

Legende:

1 - Verbindung zum Bi-Manu-Track ausgefhrt als Stiftleiste

2,3,4,6 - Verbindung zum Bi-Manu-Track ausgefhrt als Stiftleiste

5 - CAN-Bus-Transceiver (Texas Instruments SN65HVD234)

7 - Bidirektionaler Pegelwandler fr die Verbindung von CMOS und TTL -Technik (TXB0108)

8 - 2 Kondensatoren fr den Transceiver. 100nF und 10F

Abbildung 5.6: Bi-Manu-Track-Adapter Schaltplan

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Adapter

Nach Vorgabe des Schaltplans wurde eine Europlatine in den Maen 10cm * 7cm mitBauteilen bestckt. Die bestckte Platine wurde auf dem Sockel des Bi-Manu-Tracksbefestigt und auf dieser der Arduino DUE.

Abbildung 5.7: Bi-Manu-Track mit Adapter und Arduino DUE

5.2.4 Implementierung

Fr die Implementierung wurde die Entwicklungsumgebung von PlatformIO genutztund als Sprache C++ gewhlt.

PlatformIO

PLatformIO ist ein Open-Source Entwicklungssystem fr Mikrocontroller und einge-bettete Systeme. Es wird eine Vielzahl von Frameworks fr verschiedene Zielpl

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