An Architecture-based Approach for Change Impact Analysis of Software-intensive Systems

A main property of software-intensive technical systems is sustainability. Sustainable systems need to change continuously. A change to a system element can result in further changes to other system elements. If these elements originate from different domains, the change can also propagate between several domains. This book presents an architecture-based approach to change propagation analysis of software-intensive technical systems that considers heterogeneous elements from different domain

An Architecture-based Approach for Change Impact Analysis of Software-intensive Systems

Die vorliegende Dissertation präsentiert eine automatische domänenübergreifende Wartbarkeitsanalyse basierend auf der Architektur der Systeme, in deren Entwicklung und Evolution verschiedene Domänen zusammenarbeiten müssen. Eine der integralen Eigenschaften software-intensiver technischer Systeme ist ihre Langlebigkeit. Langlebige Systeme unterliegen kontinuierlichen Anpassungen aufgrund externer Änderungen, wie Änderungen ihrer Umgebung, oder auch interner Änderungen, wie zum Beispiel Fehlerbeseitigungen. Die Eigenschaft des Systems, die angibt, welcher Aufwand erforderlich ist, um ein System gemäß eines gegebenen Änderungsszenarios zu ändern, wird als Wartbarkeit bezeichnet. Somit ist Wartbarkeit ein wichtiges Qualitätsattribut langlebiger Systeme. Eine initiale Änderung an einem Element im System kann weitere Änderungen an anderen Systemelementen zur Folge haben. Stammen die betroffenen Systemelemente aus mehreren Domänen, wie zum Beispiel aus den Domänen der Informationssysteme, Geschäftsprozesse oder automatisierten Produktionssysteme, können sich die Änderungen auch über mehrere Domänen hinweg mit Abhängigkeiten in alle Richtungen ausbreiten. Ein automatisiertes Produktionssystem kann zum Beispiel aus mechanischen und elektrischen Bauteilen, sowie Steuerungssoftware bestehen. Eine Änderung an mechanischen und/oder elektrischen Bauteilen, wie zum Beispiel Sensoren, kann zu Folgeänderungen in der entsprechenden Steuerungssoftware führen. Zudem gibt es viele unterschiedliche Möglichkeiten, wie eine Änderungsanfrage in einem System umgesetzt werden kann. Verschiedene Möglichkeiten zur Umsetzung einer Änderungsanfrage können zu verschiedenen Änderungsaufwänden, sowie unterschiedlichen Systemen bezüglich ihrer Qualitätsattribute führen. Das Abschätzen der Änderungsfolgen hat deshalb besondere Relevanz im Entscheidungsprozess. Jedoch können manuelle Änderungsabschätzungen mit hohem Zeit- und Kostenaufwand verbunden sein. Somit kann eine automatische und domänenübergreifende Änderungsausbreitungsanalyse vor der Umsetzung einer Änderungsanfrage die Vorhersage der Änderungsaufwände und den Entscheidungsfindungsprozess zu deren Umsetzung unterstützen. Eine Möglichkeit zur automatischen Änderungsausbreitungsanalyse ist ein modell-, sowie szenariobasierter Ansatz zur Wartbarkeitsabschätzung, der Systeme aus mehreren Domänen berücksichtigt. Jedoch konzentrieren sich bestehende modellbasierte und szenariobasierte Ansätze meist auf die Änderungsausbreitung in einer Domäne und vernachlässigen Änderungsaufwände der Elemente aus Domänen, die in einer gegenseitigen Abhängigkeitsbeziehung zur betrachteten Domäne stehen. Dies führt zu einer unzureichenden Abschätzung der Änderungsauswirkungen. Die vorliegende Dissertation stellt eine generische Methode für eine automatische und domänenübergreifende Änderungsausbreitungsanalyse vor. Durch die Instanziierung der generischen Methode in verschiedenen Domänen kann ein vollständiger Ansatz zur automatischen Änderungsausbreitungsanalyse in der jeweiligen Domäne erstellt werden. Somit hat die generische Methode zum Ziel, den Entwicklungsprozess einer modellbasierten Änderungsausbreitungsanalyse durch die Wiederverwendung von bestehenden Konzepten zu verbessern. Die generische Methode basiert auf dem Karlsruhe Architectural Maintainability Prediction (KAMP) Ansatz zur Änderungsausbreitungsanalyse in Informationssystemen. Weitere Beiträge dieser Dissertation können wie folgt zusammengefasst werden: i) Software-Systeme sind integrale Bestandteile der Geschäftsprozesse moderner Unternehmen. Daher beeinflussen sich Software-Systeme und Geschäftsprozesse gegenseitig während der Evolution. Angesichts komplexer gegenseitiger Beeinflussung bietet der Ansatz als eine Instanz der generischen Methode und eine Erweiterung des KAMP-Ansatzes eine automatische Änderungsausbreitungsanalyse in den sich gegenseitig beeinflussenden Domänen der Informationssysteme und der Geschäftsprozesse. ii) Basierend auf Metamodellen zur Darstellung von mechanischen und elektrischen Teilen, als auch der Steuerungssoftware im Standard IEC 61131-3 für speicherprogrammierbare Steuerungen wurde ein weiterer Ansatz (ebenfalls als eine Instanziierung der generischen Methode) für die Domänen der automatisierten Produktionssysteme entwickelt. Mit dem Ansatz ist es möglich Änderungen über Systemelemente aus mehreren Sub-Domänen von automatisierten Produktionssystemen zu verfolgen, um eine umfassende Liste von Wartbarkeitsaufwänden zu erstellen. iii) Die Änderungsauslöser können sich entweder auf Architekturmodellebene oder auf Anforderungsebene befinden. Basierend auf Modellen zur Erfassung von Anforderungen und Entwurfsentscheidungen in der Domäne der Informationssysteme, Geschäftsprozesse, sowie automatisierten Produktionssysteme wurden die bestehenden Instanzen der generischen Methode zur Berücksichtigung von Anforderungsänderungen erweitert. Somit ergänzt dieser Beitrag die bisherigen Beiträge bezüglich der domänen-spezifischen Änderungsausbreitungsanalysen. iv) Die Änderungsausbreitung in den Instanzen der Methode wird durch Änderungsausbreitungsregeln betrachtet. Hierzu wurde eine domänenspezifische Sprache zum Beschreiben der häufig benutzten Änderungsausbreitungsregeln zur besseren Lesbarkeit der Regeln sowie zur Vermeidung von technischem Code vorgestellt. v) Weiter wurde ein mehrdimensionales Kategorisierungsschema für die Änderungsauslöser in Geschäftsprozessen basierend auf den Ergebnissen einer umfassenden Literaturrecherche vorgestellt. Die Beiträge dieser Dissertation zur automatischen Änderungsausbreitungsanalyse wurden anhand von Fallstudien in der jeweiligen Domäne evaluiert. Für jede Fallstudie wurde die Genauigkeit der Ergebnisse des jeweiligen Ansatzes im Vergleich zu manuell erstellten Ergebnissen angegeben. Zudem wurde die Aufwandsersparnis durch eine automatische Änderungsausbreitungsanalyse anhand des Vergleichs zweier Metriken gezeigt: i) Die erste Metrik repräsentiert die Rate der Anzahl der tatsächlich zu ändernden Modellelemente zur Anzahl der gesamten Modellelemente. ii) Die zweite Metrik repräsentiert die Rate der Anzahl der vom Ansatz vorgeschlagenen Modellelemente zur Anzahl der gesamten Modellelemente. Für die Validierung des Ansatzes zur automatischen Änderungsausbreitungsanalyse in den Domänen der Informationssysteme und der Geschäftsprozesse wurde basierend auf den Ergebnissen der systematischen Literaturrecherche zur Ermittlung der Änderungsauslöser in Geschäftsprozessen repräsentative Änderungsauslöserklassen identifiziert. Diese repräsentativen Änderungsauslöserklassen wurden jeweils auf die Community-Fallstudien "Common Component Modeling Example (CoCoME)" und "modular Rice University Bidding System (mRUBiS)" angewendet. Für die externe Validität der Methode wurde die Domäne der automatisierten Produktionssysteme betrachtet. Hierzu wurde die Instanz der Methode zur automatischen Änderungsausbreitungsanalyse in der Domäne der automatisierten Produktionssysteme auf die Community-Fallstudie "extended Pick and Place Unit (xPPU)" angewendet. Die betrachtete Anlage beinhaltet die elektrischen und mechanischen Bauteile sowie die Steuerungssoftware im Standard IEC 61131-3 für speicherprogrammierbare Steuerungen

OPTIMIZATION OF PRODUCTION LINES USING ADVANCED CNC INTERPOLATION METHODS AND DISTRIBUTION OF CONTROL LOGIC

These days, information technology really makes the difference in manufacturing industry. High performance computers allow to realize control algorithms of increasing complexity and high speed reliable computer networks allows the communication between different devices and realization of advanced distributed control applications. In this thesis, we focus on the optimization of the production lines using two different approaches. First we focus on the improvement of a single workstation of the production line, then we focus on the improvement of the interactions between various stations of the production line.. A typical workstation that can be found in a production line is the machine tool for manufacturing workpieces. Advances in manufacturing technologies allow to increase quality and efficiency in production lines, but also ask for new and increasing requirements on the motion planning and control systems. The increase of CPU processing power has permitted, in traditional CNC systems, the introduction of NURBS interpolation capabilities, thus determining a further increase in machining quality and efficiency. This has posed new and still unsolved issues, such as the need to satisfy multiple opposite constraints like limiting chord error, acceleration and jerk and offering real-time guarantees. In addition, the ability of privileging the production throughput by relaxing one or more of the previous constraints in a simple way has emerged as another requirement of modern manufacturing plants. Nevertheless, none of the existing NURBS interpolators have these characteristics. In this thesis, we propose a NURBS interpolator that is able to satisfy all the manufacturing technology requirements and is able to respect, thanks to its bounded computational complexity, the position control real-time constraints. Such interpolator is easily reconfigurable, i.e. it can relax some of the constraints and can be adapted in order to include constraints that were not originally considered. Performances of the proposed algorithm have been evaluated both by simulations and by real milling experiments. However, improvements in productivity of a the machine tool can be neutralized if the various workstations of the production line are not properly synchronized. Distributed control allows to improve the coordination of different workstations but its design is challenging. The IEC 61499 standard has been developed to ease the modeling and design of distributed control systems, providing advanced concepts of software engineering (such as abstraction, encapsulation, reuse) to the world of control engineering. The introduction of such standard in already existing control environments poses challenges, since the widespread IEC 61131-3 programming standard is not compatible with the new standard. In order to solve this problem, this thesis presents an architecture that permits to integrate modules of the two standards, allowing to exploit the benefits of both. The proposed architecture is based on coexistence of control logic of both standards. Each standard interacts with some particular interfaces that encapsulate information and functionalities to be exchanged with the other standard. A methodology of integration of 61131-3 modules in a 61499 distributed solution based on such architecture is also developed, and it is described via a case study to prove feasibility and benefits

Manufacturing Execution System Interface for Process Industry Control Systems Implemented With Edge Computing

Reporting is an important part of any automation system. It allows for retrieving information on production. Some reports are mandatory while some are for the company’s own benefit. Ordinarily reports are used to provide information of the company’s performance, or to explain any given trend that has occurred. Forming a report is a multi-phase process consisting of data collection from the field, decision-making algorithms, databases, communication, and finally the report formulation. Main challenge of this study is to find a method for extracting just the specific process data needed for the reporting. Current approaches for collecting the reporting data are considered inefficient and time consuming. The study is motivated by the need to optimize and standardize the engineering process. The problem is approached by studying theory around the topic. Analy sis and design of the system is done based on the knowledge gained. The solution found is im plemented and demonstrated to prove its effectiveness. Previous implementations are considered and reflected on in the analysis phase. The system is modeled using Unified Modeling Language (UML) and designed using Collaborative Object Modeling and Design Method (COMET). Multiple solutions for the data collection are conceptual ized to find the best fit for the given problem. The benefits of implementing Edge computing as a part of the system are evaluated. As a result of the analysis and design chapter, Siemens’s TIA Portal’s new Cause Effect Matrix (CEM) programming language is chosen to be studied. Benefits of the CEM-based solution are evaluated to be its ease of implementation, universality, scalability, and modifiability. The solution developed is named as Centralized System-Wide Cause Effect Matrix (CSW-CEM) due to its nature. The whole algorithm for tracking the material flow in the system is packed into one centralized CEM. This CSW-CEM models the whole physical system consisting of tanks, valves, pumps, pipelines, and other instrumentation in the automation system. After defining the CSW-CEM itself, an instance of it is attached to each material source in the system. This allows for unambiguous reporting of every transfer in the system, regardless of it being automatic or manual. The findings of this thesis satisfied the requirements set for it. The solution proposal was successfully demonstrated. The CSW-CEM was tested to be able to handle multiple different scenarios that may occur in a real system implementation. Interface to upper-level systems was done with data blocks, written by the PLC configured as an OPC UA server. Communication and the communication interface was demonstrated by reading the data blocks with an OPC UA client. Unplanned advantages were also found in the process of development. These included the possibility to use the CEM language for visualization and routing purposes as well. The original idea of using Edge computing for the report formulation was questioned. Future development of the solution should consider this

Supplementary Material for the Evaluation of the Publication – A Layered Reference Architecture for Model-based Quality Analysis

In this technical report, we present the supplementary information for the evaluation of the Layered Reference Architecture for Model-based Quality Analysis. In chapter 2, we present the case studies, rst in their monolithic and then in their modular form. We present installation instructions for the tools required to reproduce the evaluation results in chapter 3. In chapter 4, we provide detailed information about the evolution scenarios. The tooling and the results of the scenarios can be found online [7]

A Sequential Control Language for Industrial Automation

Current market trends for industrial automation are the need for customizable production, shorter time to market, and powerful global competitive pressure. Based on these trends two challenges have been identified: 1) flexible production systems and 2) integration and utilization of devices and software. Applications from both process automation, manufacturing, and robotics have been considered. More flexible languages and tools are needed to get a flexible production system. The graphical programming language Grafchart, based on the IEC 61131-3 standard language Sequential Function Charts (SFC), is considered with the aim to make both the language and its implementation more flexible. In particular, new constructs have been added to the Grafchart language and modern compiler techniques are evaluated for JGrafchart, a Grafchart implementation, with focus on an extensible language implementation. A first step toward real-time execution of Grafchart applications is also taken to make it possible to use Grafchart for hard real-time control. High execution rates often reveal concurrency issues and thus execution concurrency has also been investigated. Access to more data from industrial devices and software can be used to optimize production. Architectures for factory integration have been considered as this is the foundation to connect all devices and thus address the challenge of integrating and utilizing devices and software. Service Oriented Architecture (SOA) is a flexible software design methodology widely used in IT systems and for business processes. SOA service orchestration is brought to industrial automation by integrating support for both Devices Profile for Web Services (DPWS) and OPC Unified Architecture (OPC UA) in JGrafchart. Looking further, SOA 2.0 is event driven and features extremely loose coupling between components. An architecture based on SOA 2.0 where it is easy to integrate any device or software, in particular legacy devices with limited knowledge and capabilities, has been developed with focus on service choreography in industrial manufacturing. Another step toward real-time execution of Grafchart applications is integrated support for the high performance communication protocol LabComm. Additionally, it is investigated how Grafchart can be connected to Functional Mock-up Interface (FMI) for co-simulation to further address the shorter time to market trend by introducing simulation support. The PID controller is the most common controller for industrial automation. A PID implementation has been added to a Grafchart library and a flaw with the PID algorithm has been discovered. The problem occurs for PID controllers with a derivative part when the process value saturates. The derivative part then backs off which leads to undesired changes in the control signal. This issue has been analyzed and a solution to the problem is proposed