Petrinetze und die Steuerung Ereignisdiskreter Systeme

DOI: 10.1007/s00287-014-0766-8National audienceno abstrac

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

Ein Petri-Netz-Tabellen-Modell zur Anwendung im klassischen und agilen Projektmanagement

Projektmanagement (PM) und Petri Netze (PN) haben als Gemeinsamkeit, dass Aktivitäten in Abhängigkeit von Ereignissen ausgeführt werden, welche dann selbst wieder Ereignisse erzeugen können. Wenn die Anwendungsdomäne PM und das Modellierungsmittel PN zusammentreffen, besteht die Möglichkeit Synergieeffekte entstehen zu lassen. Um ein Modell des agilen und klassischen PM in ein PN-Modell zu überführen, sind dazu beide Welten zur Modellierung und Simulation zu vereinen. Es existieren durchaus eine Reihe von Ansätzen auf diesem Gebiet, allerdings ohne Berücksichtigung wichtiger Teilaspekte, wie z. B. die der praktischen Anwendbarkeit. Die vorliegende Arbeit legt deshalb einen zyklischen Ablauf zugrunde, der mit strukturierten Tabellen beginnt. Diese kommen dem Vorgehen im praktischen PM entgegen, erreichen aber durch die Systematisierung die Überführbarkeit in das PN-Modell. Das PN-Modell legt eine Variante zugrunde, die aus der Sicht der Anwendungen verschiedene PN-Erweiterungen wie hierarchische, zeitbewertete oder gefärbte Netze unter Verwendung strukturierter Marken aufnimmt. Teilaufgaben werden in hierarchische PN-Konstrukte gekapselt, die anpassbar durch das innere PN, das Verhalten von Objekten des PM beschreiben. Typische Objekte wie Aktivitäten und Ressourcen sind durch Eigenschaften wie Atomarität, Wiederverwendbarkeit und Zeitverbrauch gekennzeichnet. Wechselwirkungen zwischen Konstrukten werden über PN-Elemente beschrieben. Der gesamte Projektplan wird dadurch aus Konstrukten und deren Beziehungen aufgestellt. Das PN bildet dabei die zentrale Ablauflogik. Die Umsetzung beruht darauf, die Dateneingabe von der Planung und den aktuellen Zwischenständen in der Tabellenstruktur vorzunehmen, und im Hintergrund automatisch das PN zu generieren bzw. zustandsabhängig zu verändern. Dafür wird in der Arbeit ein experimentelles Tool beschrieben. Dabei sollen anschließend die Ergebnisse durchgeführter Simulationen mit einem Standard-PN-Tool erneut in die bestehende Tabelle zurückgeführt werden. Diese grundlegenden Vorteile des PN-Konzeptes können so vollumfänglich ausgenutzt und für den Projektmanager auch ohne PN-Kenntnisse Verwendung finden. Dadurch wird die Methode dynamisch und ist für verschiedenste Projekte universell einsetzbar.Project Management (PM) and Petri Nets (PN) have in common that activities are carried out depending on events, which can generate events by themselves. The combination of the application domain PM (agile and traditional) and the modelling tool PN may result in advantageous synergy effects. In order to transform a model of PM into a powerful PN model, these two concepts must be merged for mapping and simulation. There are a number of approaches in this area, with no consideration of important aspects such as practical applicability. The present thesis is therefore based on a cyclic process, starting with structured tables. These are in line with the procedure of practical PM but achieve through systematization the transferability into the PN model. The PN model is based on a powerful model with suitable extensions and necessary interpretations from the field of hierarchical, time-valued or coloured high-level PNs using structured token. Subtasks are encapsulated in hierarchical PN constructs that describe the behavior of PM objects in an adaptable way through the inner PN. Typical objects such as activities and resources are characterized by properties such as atomicity, reusability and time consumption. Interactions between constructs are described by PN elements. The objects of modelling for the entire project plan are based on constructs with their relationships to each other, with the PN forming the single point of processing logic. The implementation is based on entering the data from the planning and the current, intermediate statuses into a fixed, defined table structure and to automatically generate the PN in the background or to change it depending on conditions. The paper describes an experimental tool for this purpose. Afterwards, simulations are to be carried out on the basis of the models, and their results are to be incorporated back into the table. The advantages of the PN concept can thus be fully exploited and can be used by the project manager without requiring special PN knowledge. The method is based on a dynamic consideration and can be used universally for a wide range of projects