Colored Petri Net Model of IEC Function Block and Its Application

Colloque avec actes et comité de lecture. internationale.International audienceA CPN based IEC FB model and its application are introduced in this paper. The model not only can analyze the internal procedure of IEC FB, especially the parameter's status propagation and the mode's switch, but also can be integrated into modeling IEC FB application. The latter is explained with a FB application, FB based boiler water level control system

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

Anpassen verteilter eingebetteter Anwendungen im laufenden Betrieb

The availability of third-party apps is among the key success factors for software ecosystems: The users benefit from more features and innovation speed, while third-party solution vendors can leverage the platform to create successful offerings. However, this requires a certain decoupling of engineering activities of the different parties not achieved for distributed control systems, yet. While late and dynamic integration of third-party components would be required, resulting control systems must provide high reliability regarding real-time requirements, which leads to integration complexity. Closing this gap would particularly contribute to the vision of software-defined manufacturing, where an ecosystem of modern IT-based control system components could lead to faster innovations due to their higher abstraction and availability of various frameworks. Therefore, this thesis addresses the research question: How we can use modern IT technologies and enable independent evolution and easy third-party integration of software components in distributed control systems, where deterministic end-to-end reactivity is required, and especially, how can we apply distributed changes to such systems consistently and reactively during operation? This thesis describes the challenges and related approaches in detail and points out that existing approaches do not fully address our research question. To tackle this gap, a formal specification of a runtime platform concept is presented in conjunction with a model-based engineering approach. The engineering approach decouples the engineering steps of component definition, integration, and deployment. The runtime platform supports this approach by isolating the components, while still offering predictable end-to-end real-time behavior. Independent evolution of software components is supported through a concept for synchronous reconfiguration during full operation, i.e., dynamic orchestration of components. Time-critical state transfer is supported, too, and can lead to bounded quality degradation, at most. The reconfiguration planning is supported by analysis concepts, including simulation of a formally specified system and reconfiguration, and analyzing potential quality degradation with the evolving dataflow graph (EDFG) method. A platform-specific realization of the concepts, the real-time container architecture, is described as a reference implementation. The model and the prototype are evaluated regarding their feasibility and applicability of the concepts by two case studies. The first case study is a minimalistic distributed control system used in different setups with different component variants and reconfiguration plans to compare the model and the prototype and to gather runtime statistics. The second case study is a smart factory showcase system with more challenging application components and interface technologies. The conclusion is that the concepts are feasible and applicable, even though the concepts and the prototype still need to be worked on in future -- for example, to reach shorter cycle times.Eine große Auswahl von Drittanbieter-Lösungen ist einer der Schlüsselfaktoren für Software Ecosystems: Nutzer profitieren vom breiten Angebot und schnellen Innovationen, während Drittanbieter über die Plattform erfolgreiche Lösungen anbieten können. Das jedoch setzt eine gewisse Entkopplung von Entwicklungsschritten der Beteiligten voraus, welche für verteilte Steuerungssysteme noch nicht erreicht wurde. Während Drittanbieter-Komponenten möglichst spät -- sogar Laufzeit -- integriert werden müssten, müssen Steuerungssysteme jedoch eine hohe Zuverlässigkeit gegenüber Echtzeitanforderungen aufweisen, was zu Integrationskomplexität führt. Dies zu lösen würde insbesondere zur Vision von Software-definierter Produktion beitragen, da ein Ecosystem für moderne IT-basierte Steuerungskomponenten wegen deren höherem Abstraktionsgrad und der Vielzahl verfügbarer Frameworks zu schnellerer Innovation führen würde. Daher behandelt diese Dissertation folgende Forschungsfrage: Wie können wir moderne IT-Technologien verwenden und unabhängige Entwicklung und einfache Integration von Software-Komponenten in verteilten Steuerungssystemen ermöglichen, wo Ende-zu-Ende-Echtzeitverhalten gefordert ist, und wie können wir insbesondere verteilte Änderungen an solchen Systemen konsistent und im Vollbetrieb vornehmen? Diese Dissertation beschreibt Herausforderungen und verwandte Ansätze im Detail und zeigt auf, dass existierende Ansätze diese Frage nicht vollständig behandeln. Um diese Lücke zu schließen, beschreiben wir eine formale Spezifikation einer Laufzeit-Plattform und einen zugehörigen Modell-basierten Engineering-Ansatz. Dieser Ansatz entkoppelt die Design-Schritte der Entwicklung, Integration und des Deployments von Komponenten. Die Laufzeit-Plattform unterstützt den Ansatz durch Isolation von Komponenten und zugleich Zeit-deterministischem Ende-zu-Ende-Verhalten. Unabhängige Entwicklung und Integration werden durch Konzepte für synchrone Rekonfiguration im Vollbetrieb unterstützt, also durch dynamische Orchestrierung. Dies beinhaltet auch Zeit-kritische Zustands-Transfers mit höchstens begrenzter Qualitätsminderung, wenn überhaupt. Rekonfigurationsplanung wird durch Analysekonzepte unterstützt, einschließlich der Simulation formal spezifizierter Systeme und Rekonfigurationen und der Analyse der etwaigen Qualitätsminderung mit dem Evolving Dataflow Graph (EDFG). Die Real-Time Container Architecture wird als Referenzimplementierung und Evaluationsplattform beschrieben. Zwei Fallstudien untersuchen Machbarkeit und Nützlichkeit der Konzepte. Die erste verwendet verschiedene Varianten und Rekonfigurationen eines minimalistischen verteilten Steuerungssystems, um Modell und Prototyp zu vergleichen sowie Laufzeitstatistiken zu erheben. Die zweite Fallstudie ist ein Smart-Factory-Demonstrator, welcher herausforderndere Applikationskomponenten und Schnittstellentechnologien verwendet. Die Konzepte sind den Studien nach machbar und nützlich, auch wenn sowohl die Konzepte als auch der Prototyp noch weitere Arbeit benötigen -- zum Beispiel, um kürzere Zyklen zu erreichen

Desarrollo y validación de un modelo dinámico para una pila de combustible tipo PEM

JORNADAS DE AUTOMÁTICA (27) (27.2006.ALMERÍA)El objetivo de este trabajo es realizar un modelo dinámico detallado de una pila de combustible tipo PEM de 1.2 kW de potencia nominal. El modelo desarrollado incluye efectos como el ’flooding’ y la dinámica de la temperatura y es de utilidad para poder diseñar y ensayar controles tanto de la válvula de purga como de la refrigeración de la pila mediante un ventilador. Se ha desarrollado un novedoso tratamiento de la ecuación experimental que modela la curva de polarización que simplifica considerablemente su caracterización. Por último el modelo realizado ha sido validado con datos tomados de una pila real