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

Modellgestützter Entwurf von Feldgeräteapplikationen

Die Entwicklung von Feldgeräten ist ein äußerst komplexer Vorgang, welcher auf vielen Vorrausetzungen aufsetzt, diverse Anforderungen und Randbedingungen mitbringt und bisher wenig beachtet und veröffentlicht wurde. Angesichts der fortschreitenden Digitalisierung drängen immer mehr Anbieter auf den Automatisierungsmarkt. So sind aktuell zunehmend Technologien und Ansätze aus dem Umfeld des Internet of Things im Automatisierungsbereich zu finden. Diese Ansätze reichen von Sensoren ohne die in der Industrie üblichen Beschreibungen bis hin zu Marktplätzen, auf denen Integratoren und Anwender Softwareteile für Anlagen kaufen können. Für die neuen Anbieter, die häufig nicht aus dem klassischen Automatisierungsgeschäft kommen, sind die bisher bestehenden Modelle, Funktionalitäten, Profile und Beschreibungsmittel nicht immer leicht zu verwenden. So entstehen disruptive Lösungen auf Basis neu definierter Spezifikationen und Modelle. Trotz dieser Disruptivität sollte es das Ziel sein, die bewährten Automatisierungsfunktionen nicht neu zu erfinden, sondern diese effektiv und effizient in Abhängigkeit der Anforderungen auf unterschiedlichen Plattformen zu verwenden. Dies schließt ihre flexible Verteilung auf heterogene vernetzte Ressourcen explizit ein. Dabei können die Plattformen sowohl klassische Feldgeräte und Steuerungen sein, als auch normale Desktop-PCs und IoT-Knoten. Ziel dieser Arbeit ist es, eine Werkzeugkette für den modellbasierten Entwurf von Feldgeräteapplikationen auf Basis von Profilen und damit für den erweiterten Entwurf von verteilten Anlagenapplikationen zu entwickeln. Dabei müssen die verschiedenen Beschreibungsmöglichkeiten evaluiert werden, um diese mit detaillierten Parameter- und Prozessdatenbeschreibungen zu erweitern. Außerdem sollen modulare Konzepte genutzt und Vorbereitungen für die Verwendung von Semantik im Entwurfsprozess getroffen werden. In Bezug auf den Geräteengineeringprozess soll der Anteil des automatisierten Geräteengineerings erweitert werden. Dies soll zu einer Flexibilisierung der Geräteentwicklung führen, in der die Verschaltung der funktionalen Elemente beim Endkunden erfolgt. Auch das Deployment von eigenen funktionalen Elementen auf die Geräte der Hersteller soll durch den Endkunden möglich werden. Dabei wird auch eine automatisierte Erstellung von Gerätebeschreibungen benötigt. Alle diese Erweiterungen ermöglichen dann den letzten großen Schritt zu einer verteilten Applikation über heterogene Infrastrukturen. Dabei sind die funktionalen Elemente nicht nur durch die Gerätehersteller verteilbar, sondern diese können auch auf verschiedenen Plattformen unterschiedlicher Gerätehersteller verwendet werden. Damit einher geht die für aktuelle Entwicklungen wie Industrie 4.0 benötigte geräteunabhängige Definition von Funktionalität. Alle im Engineering entstandenen Informationen können dabei auf den unterschiedlichen Ebenen der Automatisierungspyramide und während des Lebenszyklus weiterverwendet werden. Eine Integration diverser Gerätefamilien außerhalb der Automatisierungstechnik wie z. B. IoT-Geräte und IT-Geräte ist damit vorstellbar. Nach einer Analyse der relevanten Techniken, Technologien, Konzepte, Methoden und Spezifikationen wurde eine Werkzeugkette für den modellgestützten Entwurf von Feldgeräten entwickelt und die benötigten Werkzeugteile und Erweiterungen an bestehenden Beschreibungen diskutiert. Dies Konzept wurde dann auf den verteilten Entwurf auf heterogener Hardware und heterogenen Plattformen erweitert, bevor beide Konzepte prototypisch umgesetzt und evaluiert wurden. Die Evaluation erfolgt an einem zweigeteilten Szenario aus der Sicht eines Geräteherstellers und eines Integrators. Die entwickelte Lösung integriert Ansätze aus dem Kontext von Industrie 4.0 und IoT. Sie trägt zu einer vereinfachten und effizienteren Automatisierung des Engineerings bei. Dabei können Profile als Baukasten für die Funktionalität der Feldgeräte und Anlagenapplikationen verwendet werden. Bestehende Beschränkungen im Engineering werden somit abgeschwächt, so dass eine Verteilung der Funktionalität auf heterogene Hardware und heterogene Plattformen möglich wird und damit zur Flexibilisierung der Automatisierungssysteme beiträgt.The development of field devices is a very complex procedure. Many preconditions need to be met. Various requirements and constrains need to be addressed. Beside this, there are only a few publications on this topic. Due to the ongoing digitalization, more and more solution providers are entering the market of the industrial automation. Technologies and approaches from the context of the Internet of Things are being used more and more in the automation domain. These approaches range from sensors without the typical descriptions from industry up to marketplaces where integrators and users can buy software components for plants. For new suppliers, who often do not come from the classical automation business, the already existing models, functionalities, profiles, and descriptions are not always easy to use. This results in disruptive solutions based on newly defined specifications and models. Despite this disruptiveness, the aim should be to prevent reinventing the proven automation functions, and to use them effectively, and efficiently on different platforms depending on the requirements. This explicitly includes the flexible distribution of the automation functions to heterogeneous networked resources. The platforms can be classical field devices and controllers, as well as normal desktop PCs and IoT nodes. The aim of this thesis is to develop a toolchain for the model-based design of field device applications based on profiles, and thus also suitable for the extended design of distributed plant applications. Therefore, different description methods are evaluated in order to enrich them with detailed descriptions of parameters and process data. Furthermore, c oncepts of modularity will also be used and preparations will be made for the use of semantics in the design process. With regard to the device engineering process, the share of automated device engineering will be increased. This leads to a flexibilisation of the device development, allowing the customer to perform the networking of the functional elements by himself. The customer should also be able to deploy his own functional elements to the manufacturers' devices. This requires an automated creation of device descriptions. Finally, all these extensions will enable a major step towards using a distributed application over heterogeneous infrastructures. Thus, the functional elements can not only be distributed by equipment manufacturers, but also be distributed on different platforms of different equipment manufacturers. This is accompanied by the device-independent definition of functionality required for current developments such as Industry 4.0. All information created during engineering can be used at different levels of the automation pyramid and throughout the life cycle. An integration of various device families from outside of Automation Technology, such as IoT devices and IT devices, is thus conceivable. After an analysis of the relevant techniques, technologies, concepts, methods, and specifications a toolchain for the model-based design of field devices was developed and the required tool parts, and extensions to existing descriptions were discussed. This concept was then extended to the distributed design on heterogeneous hardware and heterogeneous platforms. Finally, both concepts were prototypically implemented and evaluated. The evaluation is based on a two-part scenario from both the perspective of a device manufacturer, and the one of an integrator. The developed solution integrates approaches from the context of Industry 4.0 and IoT. It contributes to a simplified, and more efficient automation of engineering. Within this context, profiles can be used as building blocks for the functionality of field devices, and plant applications. Existing limitations in engineering are thus reduced, so that a distribution of functionality across heterogeneous hardware and heterogeneous platforms becomes possible and contributing to the flexibility of automation systems

Entwurf und Realisierung von komplexen intelligenten Steuerungssystemen

Summary of the Dissertation Subject: "Design and implementation of complex and intelligent control systems" presented by: Dipl.-Ing. Hartmut Wächter Since decentralized event- or objectoriented automation technology could be rarely found in the first half of the 90s, a way to implement complex intelligent automation systems as it was approached especially by "Wächter Engineering Consultants" is presented in this work. The automation system, MKS16 (modular communicative control with 16-bit ?C) designed by the author with the GRIPS design system (graphic interactive planning system) is a solution which is superior in the modular variety of many PLC systems and is ideally suitable for field bus systems and remote control technology. The software solution GRIPS is a very simple design system for process technologists. It comprises intelligent functions such as fuzzy logic and neural networks and allows the crea- tion of new special functions for further developments and project adaptation. Extensive functions can be integrated in projects as C-constructs. The field bus comparison highlights the particular suitability of the LON (local operating net- work) for distributed intelligent systems with project orientation through the standardization of layer 7 of the ISO/OSI layer model. The LONWORKS? technology as well as the MKS16 system are very good for combining devices with totally different tasks, construction and scope of functions. Based on the observations of the Ethernet with TCP/IP, project compatibility and wireless automation systems, some applications implemented with the MKS16 system and LON- WORKS are described. The main emphasis of these projects are remote control solutions with low-cost visualizations (E-control) and intelligent distributed controls with fuzzy logic for environment-technical, biomechatronic devices and systems. In the last demo project a com- plex, inter-trade, house-technical implementation for a school sports hall is illustrated, which represents a successful solution in the combination of a locking system with lighting and heat- ing systems for energy saving. The technical basis is made up of LONWORKS and a visualiza- tion for Facility Management.Da Automatisierungstechnik mit dezentralen ereignisgesteuerten Funktionsprinzipien und Objektorientierung in der ersten Hälfte der 90er Jahre selten zu finden war, stellt die vorliegende Arbeit einen Weg zur Realisierung komplexer intelligenter Automatisierungssysteme vor, wie er speziell im Ingenieurbüro Wächter gegangen wurde. Das vom Autor konzipierte Automatisierungssystem MKS16 (Modulare Kommunikative Steuerung mit 16-Bit-?C) mit dem Entwurfssystem GRIPS (Grafisches interaktives Projektiersystem) ist eine Lösung, die sich in der modularen Vielfalt von vielen SPS-Systemen abhebt und auch für Feldbussysteme und Fernwirktechnik bestens geeignet ist. Die Softwarelösung GRIPS ist ein sehr einfaches Entwurfssystem für Prozesstechnologen. Es beinhaltet bereits intelligente Funktionen wie Fuzzy-Logic und Neuronale Netze, ermöglicht aber auch die Kreation von neuen speziellen Funktionen für die kontinuierliche Weiterentwicklung und Projektanpassung. Man kann auch beliebige C-Konstrukte als umfangreichere Funktionen in Projekte einfügen. Der Feldbusvergleich stellt die besondere Eignung des LON (local operating network) für dezentrale intelligente Systeme mit Projektorientierung durch die Normung der Schicht 7 des ISO/OSI-Schichtenmodells heraus. Die LONWORKS?-Technologie eignet sich genau wie das MKS16-System besonders gut zum Zusammenführen von Geräten mit völlig unterschiedlichen Aufgaben, Ausstattungen und Funktionsumfang. Nach einigen Betrachtungen zu Ethernet mit TCP/IP, Projektkompatibilität und kabellosen Automatisierungssystemen werden einige realisierte Anwendungen mit dem MKS16-System und LONWORKS beschrieben. Schwerpunkte dieser Projekte sind Fernwirklösungen mit preisgünstigen Visualisierungen (E-Control) und intelligente dezentrale Steuerungen mit Fuzzy- Logik für umwelttechnische biomechatronische Geräte und Anlagen. Im letzten Beispielprojekt ist eine komplexe, gewerkeübergreifende, haustechnische Realisierung für eine Schulsporthalle aufgezeigt, die eine gelungene Lösung in der Kombination von einem Schließsystem mit Beleuchtungs- und Heizungsanlagen zur Energieeinsparung darstellt. Die technische Basis bildet LONWORKS und eine Visualisierung für Fassility-Management

Jahresbericht 2016 / Institut für Angewandte Informatik (KIT Scientific Reports ; 7736)

Im Jahresbericht 2016 des Instituts für Angewandte Informatik werden, nach einem kurzen Überblick über die Arbeiten, die Forschungsergebnisse dieses Jahres vorgestellt. Die Einordnung erfolgt entsprechend der Zuordnung der Projekte zu den Helmholtz-Programmen SCI, EMR, RE, TIS, BIFTM, STN und SBD. Es schließt sich eine Verzeichnis der im Berichtszeitraum erschienen Publikationen des Instituts an

Model-based condition and process monitoring based on socio-cyber-physical systems

Die produzierende Industrie strebt im Rahmen der vierten industriellen Revolution, Industrie 4.0, die Optimierung der klassischen Zielgrößen Qualität, Kosten und Zeit sowie Ressourceneffizienz, Flexibilität, Wandlungsfähigkeit und Resilienz in globalen, volatilen Märkten an. Im Mittelpunkt steht die Entwicklung von Smart Factories, in denen sich relevante Objekte, Produktions-, Logistik- und Informationssysteme sowie der Mensch vernetzen. Cyber-physische Systeme (CPS) tragen als sensorisierte und aktorisierte, resiliente und intelligente Gesamtsysteme dazu bei, Produktionsprozesse und -maschinen sowie die Produktqualität zu kontrollieren. Vordergründig wird die technische Komplexität von Produktionssystemen und damit auch zugehöriger Instandhaltungsprozesse durch die Anforderungen an deren Wandlungsfähigkeit und den zunehmenden Automatisierungsgrad ansteigen. Heraus-forderungen bei der Entwicklung und Implementierung von CPS liegen in fehlenden Interoperabilitäts- und Referenzarchitekturkonzepten sowie der unzureichend definierten Interaktion von Mensch und CPS begründet. Sozio-cyber-physische Systeme (Sozio-CPS) fokussieren die bidirektionale Interaktion von Mensch und CPS und adressieren diese Problemstellung. Gegenstand und Zielstellung dieser Dissertationsschrift ist die Definition von Sozio-CPS in der Domäne der Zustands- und Prozessüberwachung von Smart Factories. Untersucht werden dabei Nutzungsszenarien von Sozio-CPS, die ganzheitliche Formulierung von Systemarchitekturen sowie die Validierung der entwickelten Lösungsansätze in industriellen Anwendungsszenarien. Eine erfolgreiche Umsetzung von Sozio-CPS in drei heterogenen Validierungsszenarien beweist die Korrektheit und Anwendbarkeit der Lösungsansätze.Within the scope of the fourth industrial revolution, Industry 4.0, the manufacturing industry is trying to optimize the traditional target figures of quality, costs and time as well as resource efficiency, flexibility, adaptability and resilience in volatile global markets. The focus is on the development of smart factories, in which relevant objects and humans are interconnected . Cyber-physical systems (CPS) are used as sensorized and actuatorized, resilient and intelligent overall systems to control production processes, machines and product quality . The technical complexity of production systems and their associated maintenance processes are rising due to the demands on their adaptability and the increasing automation. Challenges in the development and implementation of CPS include the lack of interoperability and reference architecture concepts as well as the insufficiently defined interaction of people and CPS. Socio-cyber-physical systems (Socio-CPS) focus on bidirectional interaction of humans and CPS to address this problem. The scope and objective of this dissertation is to define Socio-CPS in the condition and process monitoring of smart factories. This dissertation utilizes scenarios of Socio-CPS, holistically defines system architectures and validates the solutions developed in industrial applications. The successful implementation of Socio-CPS in three heterogeneous validation scenarios proves the correctness and applicability of the solutions

Agentenbasierter Programmassistent zur Verwaltung von NC-Informationen in Produktionssystemen mit Kommunikationsnetzwerken

In den letzten Jahren hat sich die rapide Entwicklung der Elektrotechnik ebenso wie die der Softwaretechnologie auf die numerischen Steuerungen in den heutigen CNC-Maschinen groß ausgewirkt. Diese numerischen Steuerungen sind sowohl intelligenter und flexibler als auch mit größerer Internspeicherkapazität ausgerüstet. Dies führt zu einer Änderung der Art und Weise, wie DNC-Systeme zu etablieren sind, besonders solcher, die auf bisher verfügbaren, aber ungleichartigen DNC-Systemen basieren. In einem solch heterogenen DNC-System wird Datenspeicherungsfähigkeit stärker verteilt angeordnet, d.h., sie ist nicht nur in einem zentralen DNC-Server vorhanden, sondern auch in Terminals oder Steuerungen selbst angelagert. Diese Änderung des Archivierungsmittels benötigt neue DNC-Software, die die DNC-Grundfunktionen voll realisiert. Zudem sollte sie auch den neuen spezifischen Softwareanforderungen entsprechen und erlauben, neue Funktionen, z.B. Maschinendatenerfassung, Betriebsdatenerfassung usw., als Module hinzuzufügen. Derzeit wird die Agententechnologie bzw. ein MAS (Multiagentensystem) als ein aussichtsreicher Ansatz angesehen, um die Probleme der heutigen komplexen Softwaresysteme, wie ungleichartige Systemumgebungen und verteilte Strukturen, zu lösen. Die vorliegende Arbeit stellt die Idee zum Aufbau eines heterogenen DNC-Systems und die Konzipierung zur Gestaltung der agentenbasierten DNC-Software vor. Ausgehend von dem vorgestellten Lösungskonzept wird zudem der Programmassistent als erster Modul der agentenbasierten DNC-Software präsentiert.In the network-based DNC systems and especially heterogeneous DNC systems data get more distributed due to the ability to store not only in the DNC Server but also in the CNC controller or CNC Terminal. This leads a challenge to the DNC software in the implementation of its basic functions. The agent-based DNC software with assistants (ADNC) is suggested to solve the above problem. Its tasks are to collect distributed NC information and transfer data safely as well as performing other extended functions, i.e. NC program generation, machine data collection, production data collection, control machines in system, etc. The present work presented the concept to develop the ADNC and its first prototype. This prototype was developed in a process using a framework of agent-based assistants, called AgentAP. It is applicable on distributed manufacturing data and had been implemented on the agent platform JADE. The module Program Assistant, one of these prototype modules, which is responsible for management, bidirectional transfer, and monitoring change of NC programs, is also discussed