Configuration deployment for reconfigurable safety systems

Abstract

Flexibilität in heutigen Fertigungssystemen ist wichtiger denn je. Wirtschaftliche Entwicklungen fordern kleinere Losgrößen bis hin zur Stückgutfertigung. Dies erfordert eine schnelle Rekonfiguration der Produktionslinien. Industrie 3.0 kann diese Flexibilitätsanforderungen aufgrund der hierarchischen Architektur nicht erfüllen. Mit der Transformation zu Industrie 4.0 werden höhere Anforderungen in Bezug auf Interoperabilität und Flexibilität gestellt. Dies erfordert die Verwendung von Reconfigurable Manufacturing Systemen, welche die Anforderungen für die Stückgutfertigung erfüllen. Heutige Sicherheitssysteme von solchen Produktionslinien sind in ihrer Flexibilität jedoch beschränkt, da sicherheitskritische Komponenten statisch verdrahtet sind oder eine statisch konfigurierte Sicherheitsverbindung über Industrial Ethernet verwenden. Um diese Beschränkung zu beseitigen, ist ein Reconfigurable Safety System (RSS) erforderlich, welches die Rekonfiguration von Sicherheitssystemen mit minimaler Standzeit erlaubt. Der Aufbau eines RSS erfordert neue Technologien, um sichere Kommunikation, Flexibilität und Interoperabilität zu vereinen. Der Ansatz, welcher in dieser Arbeit verwendet wird, teilt die Kommunikation zwischen sicherheitskritischen Komponenten in drei Ebenen. Diese sind die Sicherheits-, die Transport- und die Netzwerkebene. Für die Sicherheitsebene wird Open Platform Communications Unified Architecture (OPC UA) Safety verwendet. Dieses Protokoll verwendet ein Black Channel Prinzip, um Daten zwischen zwei Sicherheitskomponenten zu übertragen. Die Transportebene, für welche OPC UAPubSub verwendet wird, ist für die Übertragung der Daten von der Sicherheitsebene verantwortlich. Diese Daten werden über die Netzwerkebene, für welche Time-Sensitive Networking (TSN) verwendet wird, übertragen. Da eine schnelle Rekonfiguration dieser drei Ebenen erforderlich ist, ist das Deployment eine Schlüsselkomponente von einem RSS. Diese Arbeit zeigt, wie mit aktuell verfügbaren Technologien, wie Network Configuration Protocol (NETCONF) und OPC UA Methoden verwendet werden können, um den Rekonfigurationsanforderungen eines RSS zu genügen. Zusätzlich werden Limitierungen aufgezeigt, welche im speziellen OPC UA Safety betreffen. Die Evaluierung am Ende derArbeit zeigt, dass 80 OPC UA Publisher in 3.11 ms aktiviert werden können, wodurch dieser Ansatz für weitere Arbeiten vielversprechend ist.

Flexibility in today’s manufacturing systems is more important than ever. Economy development demands the production of smaller batch sizes or even lot-size one, which requires a fast reconfiguration of production lines. Industry 3.0 does not provide this flexibility because of its strictly hierarchical architecture. With the transition to Industry 4.0, machines need to satisfy higher requirements for interoperability and flexibility. This demands building Reconfigurable Manufacturing System (RMS), which can fulfill the requirements for production of lot-size one. Today, safety systems of such production lines are limiting the flexibility since safety-critical devices still use hard-wired communication lines or static configured safety connections based on Industrial Ethernet solutions. Therefore, there is a need for Reconfigurable Safety System (RSS), which allows to reconfigure safety functions with minimum downtime.Building an RSS requires new technologies to combine safe communication, flexibility, and interoperability. The approach used in this work splits the communication of safety-critical devices into three layers, namely the safety, transport, and the network layer. Open Platform Communications Unified Architecture (OPC UA) Safety builds the first layer, using a black channel principle to transmit safety-related data. The transport layer transmits data from the safety layer with OPC UA PubSub while the network layer uses Time-Sensitive Networking (TSN) to allow real-time communication without losing flexibility. Because a fast reconfiguration of these three layers is required, the deployment is a key factor of an RSS. This work shows how currently available technologies likeNetwork Configuration Protocol (NETCONF) and OPC UA Methods can be used toperform a fast reconfiguration. Additionally, also the limitations, especially for OPC UASafety, are pointed out. The evaluation in the end of this work showed, that 80 OPC UAPublishers can be enabled in 3.11 ms, which shows that this approach is promising for further works.