Data communication system development and evaluation for engine control data

Abstract

A research project at the Institute for Computer Technology of the Vienna University of Technology commissioned by a manufacturer of industial internal combustion engines was targeted at the redistribution of control algorithms for internal combustion engines within a network of measurement and processing nodes. For this project, the deterministic transmission of measurement and control data via a hard real-time fieldbus was a key factor. The goal of the master thesis was to compare, evaluate, and select suitable fieldbus systems based on technical and economical parameters; especially requirements like high data rates and low latencies made this challenging. Based on this evaluation, hardware platforms for the implementation of a measurement and control node were compared and based on the computational demands, cost efficient platforms were chosen. To prove the theoretical concept, an EtherCAT-based and a TTEthernet-based prototype were realized and evaluated. Both prototypes did satisfy the given requirements and thus prove in principle the viability of both systems. However, the high bandwidth utilization of about 77Mbps puts the future extensibility of the EtherCAT prototype into question; for the TTEthernet prototype, the future availability of hardware more feasible for the implementation of a production-ready system is not yet known. Based upon the gained experience, the development of alternative solutions in the context of further research projects could deliver further meaningful conclusions.

Das Ziel dieser Arbeit war die Verlagerung bzw. Verteilung von Kontrollalgorithmen von Verbrennungskraftmaschinen in einem Netzwerk von Mess- und Rechenknoten im Rahmen eines Forschungsprojektes in Kooperation mit einem Hersteller von Industriemotoren. Bei der Umsetzung dieses Projektes war die deterministische Übertragung von Meß- und Steuerdaten über ein hart echtzeitfähiges Feldbussystem ein Schlüsselfaktor. Die Aufgabe bei dieser Diplomarbeit war das Vergleichen, Bewerten und Auswählen passender Feldbussysteme auf Grundlage technischer und wirtschaftlicher Parameter; besonders Anforderungen wie die erforderlichen hohen Datenraten in Kombination mit niedrigen Antwortzeiten stellten dabei eine Herausforderung dar. Auf die getroffenen Bewertungen der betrachteten Feldbussysteme aufbauend wurden verschiedene Hard- und Software-Plattformen für die Implementierung der Messknoten und des Steuerungsrechners verglichen; basierend auf technischen Parametern wie der benötigten Rechenleistung wurden die wirtschaftlichsten Lösungen vorgeschlagen. Zur Bestätigung der theoretischen Evaluierung und Ausarbeitung des Motordaten-Übertragungskonzeptes wurden zwei Prototypen, ein EtherCAT- und ein TTEthernet-basiertes System, entwickelt. Beide Prototypen erfüllten die gestellten Anforderungen und bestätigen somit prinzipiell die Verwendbarkeit beider Systeme; die hohe Bandbreitenauslastung von 77Mbps stellt allerdings bezüglich des EtherCAT-Prototypen die einfache zukünftige Erweiterbarkeit in Frage, während beim TTEthernet-Prototypen die zukünftige Verfügbarkeit von Hardware für eine produktreife Umsetzung des Systems nicht geklärt ist. Auf Basis der gewonnenen Erfahrungen könnte daher die Entwicklung von Alternativlösungen im Rahmen von weiterführenden Arbeiten sinnvoll sein.