Mobilität

Wie läuft ein Projekt zu Steuerungsnetzen für Mobilitätsplattformen ab?

Bei Steuerungsnetzen für Mobilitätsplattformen entwickeln wir das Netz in der Plattform: Redundanz, Pfade der Signaltechnik und Erfassung.

Wir übernehmen das Netz, das Redundanzkonzept und die Erfassung in Ihrem Produkt. Für einen Hersteller von Schienenfahrzeugen, eine Werft oder einen Flugzeugintegrator heißt das:

• Die Protokoll- und Netzebene, von der Portierung des Stacks und der Inbetriebnahme der Baugruppe bis zum laufenden redundanten Steuerungsnetz.
• Die Überwachungs- und Informationsebene, auf der Bedienstationen und Überwachungssysteme die Plattform lesen und dabei außerhalb des Regelkreises bleiben.
• Die Erfassungsebene, auf der verteilte E/A gelesen, mit Zeitstempel versehen und dorthin übertragen werden, wo die Aufzeichnung gespeichert wird.
• Integration und Test mit Ihren Ingenieuren, vor Ort und remote, an echter Technik.
• Schulung und Third-Level-Support danach, als Ergänzung zu Ihrem eigenen First-Level-Support.

Plattform, Qualifikation, Beziehung zum Betreiber und das Fachwissen der Branche bleiben bei Ihnen. Auf dem Schiff, im Zug oder im Flugzeug nehmen wir nichts in Betrieb. Muss ein Entwurf integriert und getestet werden, arbeitet unser Team mit Ihren Ingenieuren, während Integration und Test vor Ort und danach remote. Die Seite zur Zusammenarbeit beschreibt die Formen der Zusammenarbeit und wie sie abgerechnet werden.

Warum kauft man diese Ebene zu, statt sie selbst zu bauen?

Es ist ein dauerhaftes Spezialgebiet, das ein Plattformhersteller nur zeitweise braucht.

Eine Werft, ein Hersteller von Schienenfahrzeugen oder ein Flugzeugintegrator hat tiefes Fachwissen zu Antrieb, Struktur, Bremsen und Zulassung. Kommunikationsstacks, Redundanzkonzepte und Echtzeit-Netztechnik werden während eines Programms intensiv gebraucht und dann jahrelang nicht. Das macht sie im eigenen Haus teuer und lässt das Wissen zwischen den Programmen leicht verfallen. Der zweite Druck: Die Plattformen überleben ihre Elektronik bei Weitem. Bei einem heute spezifizierten Steuerungssystem werden Prozessoren, Netzwerkchips und möglicherweise das Protokoll abgekündigt, während das Fahrzeug noch im Einsatz ist. Jemand muss es weiterführen, und das ursprüngliche Entwurfsteam arbeitet dann meist längst an anderem.

Bei welchen Teilen der Arbeit können Sie unterstützen?

Bei jeder Ebene in der Plattform: Steuerungsnetz, Pfad der Signaltechnik, Anbindung der Maschinen, Erfassung.

• Redundante Steuerungsnetze. Redundanz auf drei Ebenen: redundante Master im Steuerungsnetz, redundante Server für die Überwachungsebene und doppelt redundante physische Verbindungen dazwischen. Jede Ebene schaltet für sich um. Ein durchtrenntes Kabel, eine ausgefallene Schnittstelle oder eine verlorene Steuerung kostet das System so ein Element und nicht einen ganzen Abschnitt der Plattform.
• Pfade für Signaltechnik und Verriegelung. Deterministische Datenpfade, bei denen ein verpasster Zyklus ein Sicherheitsereignis ist und kein Qualitätsereignis, gebaut auf Echtzeit-Ethernet mit zwei Mastern, sodass für die Steuerung immer eine Reserve bereitsteht, die den Zyklus übernehmen kann.
• Anbindung von Maschinen und Maschinenraum. Fertige Aggregate, die über den Bus kommunizieren, den ihr Lieferant mitliefert, an der Steuerung integriert. Jedes Segment behält sein eigenes Protokoll und seinen Zyklus, und die Steuerung veröffentlicht nach oben eine vereinheitlichte Sicht.
• Erfassung und Zeitsynchronisation. Verteilte E/A, gelesen und mit Zeitstempeln einer gemeinsamen Uhr versehen, sodass sich Aufzeichnungen aus verschiedenen Teilen der Plattform nachträglich vergleichen lassen.
• Bediener und Bodensysteme. Ebenen mit OPC UA und DDS, die den Zustand nach außen tragen und so entworfen sind, dass ein Abonnent hinzukommen kann, ohne den Steuerungszyklus darunter zu stören.

Wie wird Redundanz so entworfen, dass kein einzelner Fehler die Steuerung stoppt?

Redundanz wird auf drei Ebenen entworfen: Master, Verbindung und Knoten.

Jede Ebene fällt unabhängig von den anderen aus. Ein Reserve-Master übernimmt den Zyklus, wenn der aktive ausfällt. Bricht eine Verbindung, läuft der Verkehr über den verbliebenen Pfad. Ein Knoten mit zwei Schnittstellen bleibt am Bus, auch wenn ein Port ausfällt. Keine dieser Ebenen hängt von den anderen ab, und das verhindert, dass ein einzelner Fehler eine Kette auslöst. Die Zeitsynchronisation macht aus einer Übernahme einen Übergang ohne Unterbrechung und keinen Neustart. PTP hält die Reserve mit dem aktiven Knoten im Gleichtakt, sodass sie den Zyklus schon in Phase mit dem übrigen Netz übernimmt. Ein Publish-Subscribe-Backbone erreicht dasselbe über die Rangfolge seiner Publisher: Die Abonnenten wechseln beim nächsten Sample auf den Reserve-Writer, ohne darauf zu warten, dass ein Leitsystem den Ausfall bemerkt. Mit der Größe ändert sich, wie die Knoten einander finden. In einem kleinen System kann jeder Knoten jeden anderen direkt finden. Über mehrere Segmente wird diese vollvermaschte Discovery schwer zu pflegen, also wandert sie zu einem zentralen Server, der selbst redundant sein kann. Neue Knoten erfahren die Topologie von einem bekannten Punkt, und die Inbetriebnahme wird zu einem kontrollierten Schritt statt zu einem Broadcast-Sturm.

Was verlangt Echtzeit-Signaltechnik, was gewöhnliche Steuerung nicht verlangt?

Eine Garantie, die unter Last und auch im Fehlerfall gilt.

Datenpfade der Signaltechnik werden mit zwei Mastern so entworfen, dass die Steuerung nie darauf wartet, dass ein einzelner Knoten ersetzt wird, und auf Echtzeit-Ethernet ist der Zyklus kurz genug, dass eine Übernahme innerhalb der Toleranz abgeschlossen ist, die die Anwendung erlaubt. Unser Team hat Echtzeitsteuerung dieser Form auf der Seite der Signaltechnik geliefert, in einem Ethernet-POWERLINK-Netz mit redundanter Anordnung aus zwei Mastern. Das Protokoll zählt weniger als die Eigenschaft, um die es geht: Das Netz hat ein entworfenes Verhalten, wenn ein Master wegfällt. Die neuere Frage in diesem Sektor ist der Informationsaustausch, nicht die Steuerung. Bahnbetreiber vereinheitlichen die Schnittstellen zwischen Signaltechnik und den Systemen, die sie überwachen, und OPC UA wird dafür als Transport übernommen. Unsere eigene jüngere Arbeit hier ist ein Nachweis für den Echtzeit-Informationsaustausch im Bahnbereich über OPC UA. Im Open-Source-Umfeld veröffentlicht außerdem Systerel, dass sein Stack S2OPC in Gateways zur Überwachung der Signaltechnik und auf EULYNX-konformen Plattformen eingesetzt wird. Das bestätigt, dass die Richtung real ist und nicht die Vorliebe eines einzelnen Betreibers.

Wie kommen installierte Maschinenpakete in ein Steuerungssystem?

An der Steuerung; einen gemeinsamen Bus braucht es dafür nicht.

Ein Querstrahlantrieb kommt mit CANopen, ein Hilfsaggregat mit Modbus TCP, eine Bewegungsachse mit EtherCAT. Jedes Segment behält sein eigenes Protokoll und seinen eigenen Zyklus, und die Steuerung veröffentlicht eine vereinheitlichte Sicht auf alle über den Backbone. Bedien- und Überwachungsebene sehen so ein stimmiges System, gleich welches Protokoll jedes Paket darunter spricht. Hier lässt sich auch die Verdrahtung vereinfachen. Technik, bei der jeder Sensor und Aktor zu einem zentralen Schaltschrank zurückverdrahtet ist, belastet die Inbetriebnahme und die Wartung über die ganze Lebensdauer, und verteilte E/A an einem Netz beseitigen beides. Ist die Mischung der Schnittstellen von vornherein bekannt, kann ein eigenes Gerät mit genau den Protokollen und Schnittstellen, die die Plattform braucht, mehrere Standardmodule ersetzen, Kosten sparen und zugleich das Obsoleszenzrisiko verkleinern.

Was gehört zu Erfassung und Zeitsynchronisation an Bord?

Die Erfassung liest verteilte E/A verlässlich; die Zeitsynchronisation macht die Aufzeichnungen vergleichbar.

• Erfassung heißt, verteilte E/A von Einheiten, die über die Plattform verteilt sind, über die Schnittstellen der jeweiligen Einheit verlässlich zu lesen, mit einer Rate, bei der keine Ereignisse verloren gehen.
• Zeitsynchronisation heißt, die entstehenden Aufzeichnungen vergleichbar zu machen, also jede Einheit gegen eine gemeinsame Uhr zeitstempeln zu lassen.

Die zweite entscheidet, ob die Daten danach brauchbar sind. Zwei Einheiten, die dasselbe Ereignis mit unsynchronisierten Uhren aufzeichnen, erzeugen eine Aufzeichnung, deren Reihenfolge sich nicht bestimmen lässt, und keine Nachbearbeitung stellt sie wieder her. Deshalb legen die Telemetriestandards für die Erfassung in der Luftfahrt die Zeitdarstellung in der Paketstruktur selbst fest und überlassen sie nicht der Anwendung.

Unser Team hat die Hälften für E/A-Daten und Zeitsynchronisation eines Erfassungssystems an Bord gebaut, das über ein vom Kunden festgelegtes Protokoll mit einer Bodenstation kommuniziert. Das Protokoll war das des Kunden; Erfassung und Synchronisation darunter waren die Teile, die das Spezialwissen brauchten.

Auf welchen Plattformen arbeiten Sie?

Bahn, Schiff, Maschinenraum und Luftfahrtsysteme; Elektronik für Straßenfahrzeuge ist eine andere Art von Projekt.

Gemeinsam ist eine Plattform, die sich bewegt, im Betrieb nicht gewartet werden kann und Technik mehrerer Lieferanten trägt, die sich wie ein System verhalten muss. Straßenfahrzeuge haben eigene Seiten und einen anderen Käufer. Bauen Sie Steuergeräte, Fahrzeugnetze oder Domänencontroller, ist die Seite zur Fahrzeugelektronik die richtige. Bauen Sie Anlagen, in denen Fahrzeuge hergestellt werden, ist es die Seite zur Automobilindustrie.