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Automatische Netzwerkplanung für Automatisierungsnetze

Beteiligte an der Hochschule

  • Prof. Dr. Reinhold Kröger
  • Dipl.-Inform. (FH) Holger Machens

Kooperationspartner

  • Siemens AG A&D, Nürnberg

Laufzeit

Beginn: 01.03.2004
Ende: 30.9.2008

Finanzierung

  • 100% Siemens AG A&D

Veröffentlichungen

  • Machens, Holger; Kröger, Reinhold: "Automatische Planung von Netzwerkkonfigurationen", Europäisches Patentamt, November 2004 (BibTeX)
  • Machens, Holger; Kröger, Reinhold; Schmid, Markus; Gelling, Bernhard: "Automatische Netzwerkplanung", Technischer Report, Labor für Verteilte Systeme, Fachhochschule Wiesbaden, März 2005 (BibTeX)
  • Machens, Holger; Kröger, Reinhold: "AD Extension Package for Network Planning", Labor für Verteilte Systeme, Fachhochschule Wiesbaden, Juli 2006 (BibTeX)
  • H. Machens: "Automatische Netzwerkplanung für Industrial Ethernet", Automatisierungstage 2008, Seite 98-105, ISBN: 9-783000-237621, Februar 2008 (BibTeX)

Kurzbeschreibung

Aktuelle Entwicklung in der Automatisierungstechnik ist die Integration der Werkzeuge für Planung, Konstruktion, Inbetriebnahme, Betrieb und Wartung einer Automatisierungsanlage in ein einheitliches Product Lifecycle Management (PLM). Der SIMATIC Automation Designer [AD] von Siemens ist eine offene Engineering-Umgebung mit einer einheitlichen Datenbasis und einem Plugin-Mechanismus zur Integration von Werkzeugen und kann somit als Kern eines PLMs dienen.
Auch die Planung von Automatisierungsnetzen ist als Bestandteil des PLM zu betrachten. Netzwerkplanungsdaten können z.B. eingehen in Simulationsmodelle für die Digitale Fabrik, die Installation des Netzwerks in der realen Anlage und die Generierung bzw. automatische Konfiguration von Werkzeugen zur Bestimmung von Quality-of-Service- Eigenschaften des Netzwerks, wie maximale Ende-zu-Ende-Verzögerung oder Auslastung von Netzwerksträngen zum Monitoring im Betrieb.
Die auf Busstrukturen basierende und bisher meist auf wenige Knoten beschränkte Vernetzung der Automatisierungsgeräte wird i.d.R. von den Projektierungswerkzeugen zur Entwicklung der Automatisierungssoftware implizit mitgeführt. Durch das Aufkommen größerer Automatisierungsnetze mit mehreren tausend Endpunkten auf Basis von Industrial Ethernet entsteht der Bedarf an unterstützenden Netzwerkplanungswerkzeugen auch als Bestandteil des PLM.
Das Labor für Verteilte Systeme der FH Wiesbaden hat mit der Siemens AG, A&D, ein Werkzeug für die automatische Planung von PROFINET-Netzwerken [Ele06] entwickelt. Das Planungswerkzeug generiert für eine gegebene Beschreibung einer Automatisierungsanlage und deren -geräte, deren Position und logische Kommunikationsverbindungen zu anderen Geräten, eine möglichst kostengünstige Netzwerkstruktur, bestehend aus Netzwerkelementen einer vordefinierten Materialliste. Bei der Generierung werden zuvor definierte QoS-Anforderungen bzgl. maximaler Ende-zu-Ende-Verzögerungen für Kommunikationsverbindungen und maximaler Netzwerklast berücksichtigt.
Die Basis des Planungswerkzeugs bildet ein vom Labor für Verteilte Systeme entwickeltes generisches Rahmenwerk für Netzwerkplanungwerkzeuge, bestehend aus einem Datenmodell und einem speziellen Suchverfahren für die Generierung der Netzwerkstruktur, das durch einen Plugin-Mechanismus mit verschiedenen Planungsalgorithmen (Regelmengen) ausgerüstet werden kann und so an Besonderheiten der Zielsystemumgebung anpassbar ist.
Das Suchverfahren realisiert ein Greedy-Search-Verfahren [Lud02] - eine Variante des Tiefensuchverfahrens mit Backtracking, bei dem die Lösungsalternativen zu einem Teilproblem nach dem Wert einer Bewertungsfunktion ausgesucht werden.
Da das gegebene Netzwerkplanungsproblem NP-vollständig ist, beinhaltet das Suchverfahren die Reduktion der Problemkomplexität durch geeignete Zerlegung großer Knotenmengen in Teilmengen sowie Heuristiken. Die Zerlegung kann nach verschiedenen Kriterien erfolgen, wie z.B. nach Kommunikationszusammenhang zwischen Knoten oder vordefinierte Gruppierungen von Knoten, wie z.B. Produktionsinseln. Die durch Zerlegung erhaltenen Teilmengen werden dann vernetzt. Auch die Vernetzung kann nach unterschiedlichen Regeln erfolgen, je nach Art der geforderten Kabelverlegung, vorherrschender Netzwerktopologie (z.B. Linien- oder Baumtopologie) o.ä.. Jedes Teilnetz wird gegen die QoS-Anforderungen validiert. Entspricht die Teillösung den Anforderungen nicht, wird sie zurückgenommen (Backtracking). Eine abschließende Validierung ermittelt schließlich die Eigenschaften für das Gesamtnetzwerk, die zusammen mit dem generierten Netzwerk ausgegeben werden. In einer aktuell laufenden Masterarbeit wird an einer Parallelisierung des entwickelten Suchverfahrens gearbeitet.
Die Realisierung des Planungswerkzeugs für PROFINET-Netzwerke bestand im Wesentlichen in der Eweiterung des Rahmenwerks um spezielle Regelmengen für die Zerlegung und Vernetzung. Zur Bereitstellung der Netzwerkplanungsdaten im Product Lifecycle wurde das Werkzeug exemplarisch in den SIMATIC Automation Designer der Siemens AG integriert.
Zur Zeit wird intern noch an einer Parallelisierung des Suchprozesses gearbeitet, um aktuelle Mehrprozessorarchitekturen effektiver für das Planungswerkzeug nutzen zu können.

Quellenangaben

  • [AD] SIMATIC Automation Designer. https://www.automation.siemens.com/ de/simatic/automation-designer/index.htm.
  • [Ele06] PROFIBUS Workinggroup Electromechanics. PROFINET System Description. PROFIBUS Nutzerorganisation e.V., Germany, Karlsruhe, April 2006.
  • [Geb07] Jörg Feldhusen; Boris Gebhardt. Product Lifecycle Management für die Praxis. Ein Leitfaden zur modularen Einführung, Umsetzung und Anwendung. Springer, Berlin, 2007.
  • [Lud02] George F. Ludger. Artificial Intelligence: Structures and Strategies for Complex Problem Solving. Pearson Education Limited, 2002.