Model-based training of manual procedures in automated production systems

Maintenance engineers deal with increasingly complex automated production systems (aPSs). Such systems are characterized by an increasing computerization or the addition of robots that collaborate with human workers. The effects of changing or replacing components of such systems are difficult to assess since there are complex interdependencies between process parameters and the state of the components. This paper proposes a model-based training system that visualizes these interdependencies using domain-independent SysML models. The training system consists of a virtual training system for initial training and an online support system for assistance during maintenance or changeover procedures. Both systems use structural SysML models to visualize the state of the machine at a certain step of a procedure. An evaluation of the system in a changeover procedure against a paper-based manual showed promising results regarding effectiveness, usability and attractiveness.Comment: 25 pages, https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S095741581830080

Towards a new methodology for design, modelling, and verification of reconfigurable distributed control systems based on a new extension to the IEC 61499 standard

In order to meet user requirements and system environment changes, reconfigurable control systems must dynamically adapt their structure and behaviour without disrupting system operation. IEC 61499 standard provides limited support for the design and verification of such systems. In fact, handling different reconfiguration scenarios at runtime is difficult since function blocks in IEC 61499 cannot be changed at run-time. Hence, this thesis promotes an IEC 61499 extension called reconfigurable function block (RFB) that increases design readability and smoothly switches to the most appropriate behaviour when a reconfiguration event occurs. To ensure system feasibility after reconfiguration, in addition to the qualitative verification, quantitative verification based on probabilistic model checking is addressed in a new RFBA approach. The latter aims to transform the designed RFB model automatically into a generalised reconfigurable timed net condition/event system model (GRTNCES) using a newly developed environment called RFBTool. The GR-TNCES fits well with RFB and preserves its semantic. Using the probabilistic model checker PRISM, the generated GR-TNCES model is checked using defined properties specified in computation tree logic. As a result, an evaluation of system performance and an estimation of reconfiguration risks are obtained. The RFBA methodology is applied on a distributed power system case study.Dynamische Anforderungen und Umgebungen erfordern rekonfigurierbare Anlagen und Steuerungssysteme. Rekonfiguration ermöglicht es einem System, seine Struktur und sein Verhalten an interne oder externe Änderungen anzupassen. Die Norm IEC 61499 wurde entwickelt, um (verteilte) Steuerungssysteme auf Basis von Funktionsbausteinen zu entwickeln. Sie bietet jedoch wenig Unterstützung für Entwurf und Verifikation. Die Tatsache, dass eine Rekonfiguration das System-Ausführungsmodell verändert, erschwert die Entwicklung in IEC 61499 zusätzlich. Daher schlägt diese Dissertation rekonfigurierbare Funktionsbausteine (RFBs) als Erweiterung der Norm vor. Ein RFB verarbeitet über einen Master-Slave-Automaten Rekonfigurationsereignisse und löst das entsprechende Verhalten aus. Diese Hierarchie trennt das Rekonfigurationsmodell vom Steuerungsmodell und vereinfacht so den Entwurf. Die Funktionalität des Entwurfs muss verifiziert werden, damit die Ausführbarkeit des Systems nach einer Rekonfiguration gewährleistet ist. Hierzu wird das entworfene RFB-Modell automatisch in ein generalised reconfigurable timed net condition/event system übersetzt. Dieses wird mit dem Model-Checker PRISM auf qualitative und quantitative Eigenschaften überprüft. Somit wird eine Bewertung der Systemperformanz und eine Einschätzung der Rekonfigurationsrisiken erreicht. Die RFB-Methodik wurde in einem Softwarewerkzeug umgesetzt und in einer Fallstudie auf ein dezentrales Stromnetz angewendet

Interdisziplinäre Variabilitätsmodellierung und Performance Analyse für langlebige Systeme in der Automatisierungstechnik

In this day and age, automation systems have to deal with differing customer needs, environmental requirements and multiple application contexts. Automation systems have to be variable enough to satisfy all of these demands. The development and maintenance of such highly-customizable systems is a challenging task and becomes increasingly more difficult considering multiple involved engineering disciplines and long lifetimes, which is characteristic for industrial systems of the automation domain. Software product line engineering provides developers with fundamental concepts to manage the variability of such systems. However, these concepts are not established in the domain of automation systems. In addition, the involvement of multiple engineering disciplines poses a threat to existing SPL techniques. This thesis contributes novel approaches to improve the development and maintenance of software-intensive automation product lines. In total, three major contributions are made, spanning across the complete design phase of an automation system. (1) The feature modeling process is improved by detecting hidden dependencies between interrelated feature models from separate engineering disciplines. Furthermore, hidden dependencies and occurring defects in the feature models are explained in a user-friendly manner. (2) A model-driven development approach is introduced consisting of UML models, which are extended with delta modeling to manage variability in the automation product line. The models encompass information that is needed to automatically derive and analyze a performance model. (3) Subsequently, an efficient family-product-based performance analysis is proposed for the previously derived UML models that is vastly superior compared to common product-based approaches. All of these techniques have been evaluated using multiple case studies, with one being a real-world automation system.In der heutigen Zeit sehen sich Automatisierungssysteme mit einer steigenden Komplexität konfrontiert. Einzelne Kunden haben unterschiedliche Ansprüche an das System und ebenso müssen Umweltbedingungen der verschiedenen Betriebsumgebungen sowie abweichende Anwendungsgebiete bei der Entwicklung eines Automatisierungssystems berücksichtigt werden. Diese Komplexitätsaspekte werden unter dem Stichwort Variabilität zusammengefasst. Ein Automatisierungssystem muss in der Lage sein, sämtliche Anforderungen zu erfüllen. Die Entwicklung und Wartung dieser Systeme wird jedoch durch die stetig wachsende Variabilität und eine potentiell lange Lebensdauer immer schwieriger. Zusätzlich sind an dem Entwicklungsprozess eines Automatisierungssystems mehrere Ingenieursdisziplinen beteiligt. Die Techniken aus dem Bereich der Software-Produktlinienentwicklung bilden Lösungen, um die Variabilität beherrschbar zu machen. In der Automatisierungstechnik sind diese Techniken weitgehend unbekannt und durch den interdisziplinären Charakter oft nicht ausreichend. Daher werden in dieser Dissertation neue Ansätze entwickelt und vorgestellt, die auf die Domäne der Automatisierungstechnik zugeschnitten sind. Insgesamt leistet diese Dissertation folgende drei wissenschaftlichen Beiträge: (1) Die Entwicklung von Feature-Modellen wird durch die Detektion von verborgenen Abhängigkeiten, die zwischen Feature-Modellen der unterschiedlichen Ingenieursdisziplinen existieren, verbessert. Gleichzeitig liefert der vorgestellte Algorithmus die Erklärung für die Existenz dieser Abhängigkeiten. Dieses Konzept wird auf weitere Defekte in Feature-Modellen ausgeweitet. (2) Einen modell-basierten Ansatz zur Entwicklung eines Automatisierungssystems. Der Ansatz basiert auf Modellen aus der UML, die mit Hilfe der Delta Modellierung Variabilität abbilden können. Zusätzlich sind die Modelle mit Informationen über Performance Eigenschaften angereichert und erlauben die automatische Ableitung eines Performance-Modells. (3) Eine effiziente Performance Analyse von allen Varianten des Automatisierungssystems, die auf den zuvor abgeleiteten Performance-Modellen basiert. Alle Beiträge wurden mit Fallstudien evaluiert. Eine Fallstudie repräsentiert ein reales Automatisierungssystem