Echtzeitfähige Softwareagenten zur Realisierung cyber-physischer Produktionssysteme

Aktuelle ökonomische Trends, wie die zunehmende Globalisierung und die wachsende Technisierung und Individualisierung vieler Konsumgüter, führen im Hinblick auf die zur Fertigung dieser Güter eingesetzte Automatisierungstechnik zu steigender Komplexität und hohen Flexibilitätsanforderungen. Ein Konzept zur Adressierung dieser Anforderungen ist die Auslegung von automatisierten Anlagen als modulares System flexibel kombinierbarer cyber-physischer Komponenten. Die namensgebende Einheit von mechatronischem Bauteil und lokaler Rechenkapazität ermöglicht Herstellern solcher Komponenten, Softwarebausteine für typische Steuer-, Bedien- oder Diagnoseaufgaben gebrauchsfertig vorzubereiten und so den (Re-)Engineeringaufwand bei der (Um-)Gestaltung des Gesamtsystems deutlich zu reduzieren. Allerdings stellt diese Vision hohe Ansprüche an die zugrundeliegende Softwarearchitektur, die von den derzeit zur Realisierung automatisierter Systeme eingesetzten Technologien nicht vollständig erfüllt werden. Das Paradigma der Agentenorientierung ist ein tragfähiger Ansatz zur Realisierung solcher lose gekoppelten verteilten Systeme und stellt durch leistungsfähige Interaktionsmechanismen sowie die enge Integration von semantischem Wissen zusätzliche Funktionalität in Aussicht: Als Agenten ausgelegte Komponenten könnten auch die logische Vernetzung untereinander während der Inbetriebnahme, nach Umrüstungen oder in Reaktion auf Betriebsstörungen teilweise selbst übernehmen. Dadurch ergeben sich Fähigkeiten wie Selbstkonfiguration und Selbstregeneration, die in der Fachliteratur unter dem Begriff Self-X zusammengefasst werden. Die fehlende Echtzeitfähigkeit, insbesondere in Bezug auf besagte Interaktionsmechanismen, hat jedoch bisher die Einsetzbarkeit von Agentensystemen in der Automatisierung limitiert und die Ausschöpfung der genannten Potentiale behindert. Deshalb wird in dieser Dissertation eine echtzeitfähige Laufzeitumgebung für Softwareagenten entworfen und anschließend die Überarbeitung bestehenden Kommunikationsmechanismen im Hinblick auf ihre Echtzeitfähigkeit vorgenommen. In diesem Kontext wird mit dem Konzept der semantischen Adressierung eine vielfältig einsetzbare Möglichkeit geschaffen, Nachrichten an ausgewählte Gruppen von Agenten mit bestimmten, semantisch beschriebenen Eigenschaften zur verschicken. Die dabei zur Wissensrepräsentation genutzten Taxonomie-Bäume bieten ein für viele Aufgabenstellungen ausreichendes Maß an Ausdrucksstärke und erlauben zudem die Verarbeitung unter harten Echtzeitbedingungen. Abschließend werden die geschaffenen Mechanismen in einem Antwortzeitmodell abgebildet, mit dem das rechtzeitige Reagieren eines Agentensystems auf lokal oder verteilt zu behandelnde Ereignisse überprüft und nachgewiesen werden kann. Damit wird ein Hauptkritikpunkt von Agentensystemen adressiert, was zu einer nachhaltigen Steigerung der Akzeptanz des Agentenparadigmas führen könnte. Während große Teile der erarbeiten Lösung als allgemeingültige Grundlagenforschung verstanden werden können, wird bei der Formulierung von Anforderungen, der Darstellung von Beispielen und der Erläuterung von Entwurfsentscheidungen immer wieder auf automatisierungstechnische Belange Bezug genommen. Außerdem wird am Ende der Arbeit eine kritische Bewertung der Ergebnisse vor dem Hintergrund eines möglichen Einsatzes in zukünftigen Automatisierungssystemen durchgeführt und damit das Gesamtbild abgerundet

Projektierung von Montagesystemen

Das Umfeld der mittelständisch geprägten Industrie in der Bundesrepublik Deutschland ist durch einen wachsenden Wettbewerbsdruck gekennzeichnet. Zum Ausdruck kommt diese Situation in der ständig kürzeren Produktlebensdauer, den damit sinkenden Losgrößen und den steigenden Variantenzahlen. Dadurch ergeben sich starke Rationalisierungszwänge in den genannten Betrieben. Technische Abteilungen und Produktion haben in der Vergangenheit insbesondere durch Rationalisierungen in der Vorfertigung ihren Beitrag zu Kosteneinsparungen leisten können. Da hier keine weiteren gleichartigen Erfolge zu erwarten sind, verlagern sich die Rationalisierungsanstrengungen auf den Montagebereich. Nachdem auch hier insbesondere durch neue Techniken wie z.B. den Roboter die Basis für flexibel automatisierbare Montagesysteme geschaffen wurde, gilt es nun, den Einsatz dieser Systeme durch die im Vorfeld angesiedelten Planungsabteilungen zu optimieren. Entsprechend den steigenden Produktionsanforderungen und verkürzten Planungsfrequenzen existiert in den für die Projektierung und Planung von Montagesystemen zuständigen Abteilungen ein beträchtliches Rationalisierungspotential. Ähnlich der Kostenverantwortung in Entwicklungs- und Konstruktionsabteilungen kommt dabei der Projektierung von Montagesystemen als Vorstufe zur eigentlichen Planung verstärkte Bedeutung. In diesen Zusammenhang ist die Zielsetzung der vorliegenden Arbeit zu stellen, die für die Projektierung von automatisierten Montagesystemen ein rechnergestütztes Hilfsmittel aufstellt. Die Struktur der Arbeit spiegelt eine Modellbildung des Projektierungsumfanges wider. Es wird unterschieden in Montageaufgabenanalyse, optimale Stationsbelegung, Funktionsträgerzuordnung und Wirtschaftlichkeitsbeurteilung. Der Aufbau in Modellform wurde gewählt, um den Anforderungen nach einer exakten Abbildung des real existierenden Projektierungsablaufs gerecht zu werden und um die Vorteile der Modellbildung nutzen zu können. Als eine mögliche Art der Montageaufgabenanalyse wird im vorgestellten Modell der Vorranggraph verwendet. Da er besonders geeignet ist, Vorlage für spätere Abtaktungen zu bilden und eine gewisse Verbreitung gefunden hat, wird der Vorranggraph den exakteren Methoden (Petri-Netze) vorgezogen, zumal diese einen für die Projektierung nicht vertretbaren Analyseaufwand mit sich bringen. Für die Abtaktung wurden verschiedene Methoden der rechnergestützten Montagereihenfolgebestimmung im Modell gegenübergestellt. Zur Auswahl stehen die exakte Enumeration und ein heuristisches Verfahren. Um nach der optimalen Stationsbelegung mit Montageinhalten die zugehörigen Funktionsträger auszuwählen, wurde zum einen mit der Methode der Kombinatorik eine Elementezuordnung vorgenommen und zum anderen mit Hilfe einer Nutzwertanalyse der technisch mögliche Lösungsumfang eingeschränkt. Abschließend wurden unter Berücksichtigung wichtiger Kostengrößen die Lösungsvarianten einer Wirtschaftlichkeitsbeurteilung unterzogen. Dazu sind im vorliegenden Projektierungsmodell neue Faktoren und Parameter implementiert worden, die der integralen Konzeption moderner Montagesysteme nachkommen. Vor der Implementierung des Projektierungsmodells wurden auch die Randbedingungen rechnersystemunabhängiger Software aufbereitet. Hierzu ist insbesondere die Aufstellung eines konzeptionellen Datenbankschemas für die rechnergestützte Projektierung zu rechnen. Die Anwendung und Validierung des Projektierungsmodells erfolgte anhand eines praxisnahen Beispiels. Die später ausgeführte Lösung und die tatsächlich aufgetretenen Kosten tragen zum Vertrauen auf die vorab gewonnenen Projektierungsergebnisse bei. Mit dem in der vorliegenden Arbeit vorgestellten Modell zur rechnergestützten Projektierung von Montagesystemen ist somit ein Hilfsmittel vorhanden, welches den Mitarbeitern von Planungsabteilungen in der Industrie erlaubt, gestellte Aufgaben und zukünftige Anforderungen mit einer rechnergestützten Methode in verkürzter Zeit und mit qualitativ verbesserten Ergebnissen zu bewältigen.The environment of the medium-sized industry in the Federal Republic of Germany is characterized by growing competitive pressure. This situation is expressed in the continually shorter product life, the falling lot sizes and the increasing number of variants. This results in strong rationalization constraints in the companies mentioned. In the past, technical departments and production have made their contribution to cost savings, particularly through rationalization in prefabrication. Since no further similar successes can be expected here, the rationalization efforts are shifted to the assembly area. After here, too, especially through new technologies such as for robots to create the basis for flexibly automatable assembly systems, the task now is to optimize the use of these systems by the planning departments located in advance. In accordance with the increasing production requirements and shortened planning frequencies, there is considerable rationalization potential in the departments responsible for project planning and planning of assembly systems. Similar to the responsibility for costs in development and construction departments, the planning of assembly systems as a preliminary stage to the actual planning is of increasing importance. In this context, the objective of the present work is to be placed, which sets up a computer-aided aid for the configuration of automated assembly systems. The structure of the work reflects a modeling of the scope of the project. A distinction is made between assembly task analysis, optimal station allocation, function carrier assignment and profitability assessment. The structure in model form was chosen in order to meet the requirements for an exact mapping of the actually existing project planning procedure and to be able to use the advantages of the model formation. The priority graph is used as a possible type of assembly task analysis in the model presented. Since it is particularly suitable for creating a template for later line balancing and has found a certain distribution, the priority graph is preferred to the more precise methods (Petri nets), especially since these involve an analysis effort that is not justifiable for the project planning. Various methods of computer-aided assembly sequence determination were compared in the model for the balancing. The exact enumeration and a heuristic method are available. In order to select the appropriate function holders based on the optimal station allocation with assembly contents, the combinatorial method was used to allocate elements and, on the other hand, the technically possible scope of solutions was restricted with the help of a utility analysis. Finally, taking into account important cost factors, the solution variants were subjected to a profitability assessment. To this end, new factors and parameters have been implemented in the project planning model that meet the integral concept of modern assembly systems. Before the implementation of the configuration model, the boundary conditions of software independent of the computer system were prepared. In particular, the creation of a conceptual database schema for computer-aided project planning is to be expected. The application and validation of the configuration model was based on a practical example. The solution executed later and the costs actually incurred contribute to trust in the project results obtained in advance. With the model for computer-aided planning of assembly systems presented in the present work, a tool is available that allows the employees of planning departments in industry to master tasks and future requirements with a computer-aided method in a shorter time and with qualitatively improved results

Methodology for the Migration of Railway Operations Control in particular Consideration of ETCS

Moderne Eisenbahnleit- und -sicherungstechnik (LST) unterliegt aufgrund eines zunehmenden Elektronikanteils immer schneller werdenden Innovationszyklen. Zusätzlich tragen die sich aus der Globalisierung ableitenden Anforderungen an Verkehrsträger zum erhöhen Innovationsbedarf bei. Einführung technischer Innovationen in bestehende betrieblich-technische Umgebungen mit einer sukzessiven Ablösung der Alttechnik wird hier Migration genannt. Die Migration des europäisch einheitlichen Zugsicherungssystems ETCS (European Train Control System) soll die historisch gewachsene heterogene Landschaft der nationalen Techniken ablösen und somit einen Beitrag zum interoperablen Eisenbahnverkehr in Europa leisten. Dies ist aufgrund einer Vielzahl von Einflussparametern und Randbedingungen ein komplexer Prozess, in dem Entscheidungen hinsichtlich der optimalen Strategie getroffen werden müssen. Die vorliegende Arbeit zielt auf die Entwicklung einer durchgängigen Methodik für die systematische Unterstützung der Entscheidungsprozesse im Rahmen der Migration von Systemen der LST am Beispiel ETCS. Einzelne Methoden aus den Wirtschafts-, Eisenbahnbetriebs- und Ingenieurswissenschaften werden adaptiert und zu einer innovativen Gesamtmethodik kombiniert. Diese soll einen Beitrag zur effizienten Einführung technischer Innovation in das System Bahn liefern. Zum Nachweis der Anwendbarkeit der Methodik wird im Rahmen einer Fallstudie der Entscheidungsprozess der ETCS-Migration auf Basis eines konstruierten Eisenbahn-Korridors durchgeführt. Dabei wird gezeigt, dass die Methodik die Voraussetzungen bereit stellt, eine für die jeweilige Anwendung nachvollziehbare und reproduzierbare Handlungsempfehlung zu formulieren. Der Nutzen dieser Arbeit liegt somit in der Objektivierung der Entscheidungen für die zu tätigenden Investitionen in die ETCS-Migration und der damit realisierbaren Kostensenkung auf Basis der Identifikation eines fallweise optimalen Zielsystems und der jeweiligen Migrationsstrategie.Due to the fact that currently applied systems of railway operations control are basically composed of electronic components, innovation cycles of these technologies become increasingly faster. Furthermore requirements given by a globalization and the European single market additionally contribute to an increased demand on innovations within the railway system. The implementation of innovative technologies into existing operational and technical environments conjoined with a stepwise replacement of previous systems is defined as migration. Providing significant contribution to seamless and interoperable cross-border rail traffic, on the long term ETCS is designed to substitute the heterogeneous landscape of existing national train protection systems in Europe. Due to a number of relevant boundary conditions, specific constraints and influencing factors, ETCS migration can be characterized as a very complex process. Along this process decisions towards the optimal strategy are to be made. This thesis aims at the development of an integrated methodology for systematic decision support within the migration of railway operations control using the example ETCS. This methodology contains single methods from economics, railway operations and engineering sciences. These are partially being adopted and finally combined to an innovative integrated methodology, thus contributing to an efficient implementation of technical innovations into the railway system. In order to proof the feasibility of the developed methodology a case study based on a synthetic ETCS corridor has been carried out. The main benefit of this thesis is the provision of an approach to objectify the decisions on investments to be done for the ETCS migration and thus realizing cost reduction. Basis therefore is the systematic and methodical identification of optimal target states as well as the correspondent migration strategy for each application case relating to ETCS migration

Dresdner Transferbrief

Thema der Ausgabe 1(2008): Information und Kommunikation Präsent auf der CeBIT 2008 S. 4, 6, 7, 9 Prozesse überwachen und optimieren S. 7, 8, 9, 10, 15, 16, 17 Sicher und erfolgreich kommunizieren S. 5, 11, 14 Netzwerke – effektiv gestaltet S. 6, 19, 20 Web-basierte Anwendungen ... S. 3, 4, 5, 18:Nutzen wir das Web der Chancen und gestalten es aktiv mit S. 3 Kreativ forschen und entwickeln für Web, Multimedia und E-Learning S. 4 Ein Anonymisierungsdienst zur unbeobachtbaren Kommunikation im WWW S. 5 CANDY – Computer Aided Network Design Utility S. 6 UseBPEL – Für die Prozesse der Zukunft S. 7 Autonomer Teleservice zur Langzeitüberwachung und Fehlerdiagnose von entfernten Automationsanlagen S. 8 Sickerwasserprognose und Optimierung von Rekultivierungsschichten S. 9 GWT-Leistungsangebot „Angewandte Informatik“ S. 10 G/On: Die größte Innovation für sicheres Remote Access seit VPN und Secure Token S. 11 Das NanoelektronikZentrumDresden S. 12-13 Interkulturelle Kommunikation + Marktinformation = Erfolg im Ausland S. 14 CAFM – Computer Aided Facility Management mit pit-FM S. 15 Werkzeuge und Methoden zur effizienten Nutzung von Multi-Core Architekturen S. 16 GoPubMed – die wissensbasierte Suchmaschine für den Life Science Bereich S. 1

Systematic modeling and analysis of distributed automation systems

Aufgrund der verbesserten Leistungsfähigkeit und der sinkenden Kosten von Kleinrechnern werden Steuerungseinheiten heute überwiegend dezentral in Verbünden organisiert. Zwar bieten solche verteilten Systeme die notwendige Flexibilität, um die steigenden Anforderungen erfüllen zu können, sie bringen aber auch viele Herausforderungen mit sich. Während der Entwicklungsprozess verteilter Automatisierungssysteme mittels einer durchgängigen Werkzeugkette unterstützt wird, erfolgen die Analysetätigkeiten zumeist isoliert und fokussiert auf eine konkrete Problemstellung innerhalb einer Lebenszyklusphase. Schwerpunkt der vorliegenden Arbeit ist daher eine Vorgehensweise zur systematischen und vereinheitlichten Analyse von verteilten Automatisierungssystemen. Die Anwendung der erarbeiteten Methodik erfolgt mittels strukturierter Modellierung und Modellausführung am Beispiel eines verteilten Gebäudeautomatisierungssystems. Ein wesentlicher Bestandteil des Vorgehens ist die Bereitstellung einer verständlichen und gleichzeitig detaillierten Beschreibung des zu analysierenden Systems über ein Systemmodell. Das Modell dient der Wissensrepräsentation und stellt die Basis für nachfolgende Analysen zur Ermittlung (nicht-)funktionaler Eigenschaften dar, indem es das Fundament weiterführender Analysemodelle skizziert. Die ausführbaren Modelle werden im weiteren Verlauf der Arbeit vorgestellt und mathematisch beschrieben. Die nach deren Ausführung der Modelle gewonnenen Analyseergebnisse werden dargestellt und zur Wissensanreicherung in das wissensbeschreibende Systemmodell zurückgeführt. Nichtfunktionale Eigenschaften wurden u.a. mit Hilfe von Simulationsmodellen am Beispiel folgender Problemstellungen aus der Entwurfsphase analysiert: • Eine mögliche Degradation der Signalqualität eines maximal ausgedehnten Bitübertragungssystems wurde untersucht und bewertet. • Die durch physikalisch bedingte Kommunikationsprozesse zwischen verteilten Gerätekomponenten und durch Zyklusübergänge zwischen verteilten Programmkomponenten verursachten Verzögerungszeiten wurden bestimmt. Weiterhin wurden für zwei Beispielsysteme die Eigenschaften der Beobachtbarkeit und der Steuerbarkeit ermittelt, wodurch die Grundlage für eine abschließende Online-Analyse geschaffen wurde. Eine Petrinetzumgebung, die eine direkte Anbindung an ein Realsystem erlaubt und damit eine Testausführung während der Inbetriebnahme bzw. eine Laufzeitanalyse im operativen Betrieb des Systems ermöglicht, wird vorgestellt.Today’s control systems are organized more and more in a decentralized way due to the improved performance properties and the declining costs of microprocessors. Distributed systems offer the flexibility to handle constantly increasing requirements. However, they also pose new challenges. A connected chain of tools supports the development process of a distributed automation system, while the analysis steps are performed separately. Thus, each analysis step focus only on one concrete problem within only one phase of the system live cycle. Therefore, the focus of the present work is on an approach for a systematic and unified analysis concept of distributed automation systems. The proposed concept is exemplary applied to a distributed building automation system by structured modeling and model execution. The essential part of the concept is the development of a system model, which provides an understandable and at once a detailed description of the system to be analyzed. The system model is useful for knowledge representation and provides the basis for the development of executable models by their mathematically description. The executable models can be used in further analysis processes. With their execution some identified (non-)functional characteristics were established for a distributed building automation system. Within the meaning of an accumulation of knowledge, the analysis results will be added to the system model. For the following typical problems, listed in relation to the development phase of a distributed automation system, some non-functional properties were analyzed by means of simulation models: • The signal distortion in maximum expanded physical layer systems was examined and evaluated. • The delay due to communication processes between distributed hardware devices and cycle transitions between distributed application programs were determined. Furthermore, the observability and controllability of two example systems are analyzed. Both properties are relevant to the preparation of a concept for an online analysis. For the final online analysis a framework is presented, which allows a direct connection of an Petri net with a real automation system. Based on this framework, an execution of a test case in the phase of the commissioning phase or a monitoring of runtimes during operation phase is possible

Beitrag zur Verhaltensanalyse und Synchronisation von steuerungstechnischen Prozessen durch verteilte echtzeitfähige Kommunikationssysteme

Aufbauend auf dem voranschreitenden Übergang zentralistischer Steuerungskonzepte über die Dezentralisierung hin zum verteilten System soll ein echtzeitfähiges Steuerungskonzept für die Antriebssynchronisation zur Patientenbewegung als lokal abgeschlossenes System erarbeitet werden. Dabei sollen Grundlagen echtzeitfähiger Steuerungstechnik, verteilter Systeme, der Prozesssynchronisation sowie entsprechende Kommunikationssysteme vorgestellt, bestehende Lösungen diskutiert und aus den Erkenntnissen entsprechende Konzeptvorschläge für die Lösung der Aufgabenstellung gemacht werden. Im zweiten Teil dieser Arbeit soll aus den gewonnen Erkenntnissen und dem voranschreitenden Erfordernis der weltweiten Vernetzung technischer Systeme ein Konzept für die Integration und den echtzeitfähigen Zugriff auf dezentrale Peripheriekomponenten in das Internet erarbeitet werden. Für beide Teilaufgaben sollen Lösungsschritte aufgezeigt und evaluiert werden. Eine kritische Betrachtung der vorgestellten Konzepte erfolgt auf Basis bereits erfolgter industrieller Anwendung sowie in der Vorstellung einer zum Patent angemeldeten Lösung für den webbasierten Zugriff auf dezentral angeordnete Steuerungskomponenten