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Runtime supervision of PLC programs using discrete-event systems = Überwachung von SPS-Programmen zur Laufzeit mittels ereignisdiskreter Systeme
2019
Dissertation, RWTH Aachen University, 2019
Veröffentlicht auf dem Publikationsserver der RWTH Aachen University
Genehmigende Fakultät
Fak01
Hauptberichter/Gutachter
;
Tag der mündlichen Prüfung/Habilitation
2019-11-07
Online
DOI: 10.18154/RWTH-2019-11022
URL: https://publications.rwth-aachen.de/record/773311/files/773311.pdf
Einrichtungen
Inhaltliche Beschreibung (Schlagwörter)
PLC (frei) ; discrete-event systems (frei) ; industrial automation (frei) ; supervisory control theory (frei)
Thematische Einordnung (Klassifikation)
DDC: 004
Kurzfassung
Bei der von Ramadge und Wonham eingeführten Supervisory Control Theory (SCT) handelt es sich um einen der verbreitetsten Ansätze für die Synthese von Lösungen im Bereich diskreter Steuerungen. In dieser Dissertation wurde ein Ansatz erarbeitet, der das SCT-Rahmenwerk zur Überwachung existierender SPS-Steuerungsprogramme einsetzt. Letztere werden als vom Benutzer manuell implementiert angenommen, weswegen ihre Fehlerfreiheit in Bezug auf gewisse Anforderungen, beispielsweise an die funktionale Sicherheit, nicht in allen prinzipiell möglichen Situationen formal sichergestellt werden kann. Im vorgestellten Ansatz können diese Anforderungen als ereignisdiskrete Systeme formalisiert werden. Mittels einer modifizierten Form des Ramadge-Wonham-Rahmenwerkes wird aus diesen Modellen schließlich eine Überwachungsschicht generiert. Diese verhindert frühzeitig solche Aktionen der Steuerung, die schlussendlich zu einer Verletzung der Anforderungen führen könnten. Um eine möglichst große Bandbreite realistischer Anwendungsfälle abzudecken, wurden mehrere Anpassungen am ursprünglichen Rahmenwerk vorgenommen und Erweiterungen eingeführt, beispielsweise bedingte Transitionen, Vorlagen sowie Ereigniserzwingung zur Verhinderung unerwünschter Vorkommnisse. Das vorgestellte Konzept bildet den gesamten Prozess von der Erstellung der Anforderungsmodelle bis hin zu einer auf der Zielhardware direkt einsetzbaren Sicherheitsschicht ab und wurde in Form eines Werkzeugs prototypisch realisiert. Die Eignung des Ansatzes zu diesem Zwecke wurde in mehreren Fallstudien demonstriert, in einigen davon auf Industriehardware. Des Weiteren wurde die Anwendbarkeit des Gesamtansatzes, der eingeführten Modifikationen und schlussendlich des Werkzeugs selbst in einer Benutzerstudie evaluiert.The supervisory control theory (SCT) introduced by Ramadge and Wonham is one of the most noted formalisms for the synthesis of solutions in discrete event control. In this dissertation, an approach is elaborated which applies the SCT framework for the supervision of arbitrary existing PLC controller programs. The latter are assumed to be provided manually by the user and hence are not formally guaranteed to respect certain constraints, such as demands on safety, in all possible situations. With the presented approach, these conditions can be formulated in form of discrete-event systems. Using adaptations of the Ramadge and Wonham framework, a supervision layer is generated from these models. It prevents the controller from executing critical actions during runtime, which could eventually lead to the violation of the specified requirements. In order to address a wide range of realistic use cases, several adaptations and extensions have been introduced to the original framework, such as conditional transitions, templates and event enforcement for the preemption of undesired incidents. A concept for an end-to-end solution from the creation of the requirement models to a ready-to-use safety layer is presented and has been implemented in a tool. The suitability of the concept has been evaluated in several case studies, some on industrial hardware. Furthermore, the usability of the approach as a whole, the introduced modifications and the tool implementation have been evaluated in a user study.
OpenAccess: 
PDF
(additional files)
Dokumenttyp
Dissertation / PhD Thesis/Report/Book
Format
online
Sprache
English
Externe Identnummern
HBZ: HT020307027
Interne Identnummern
RWTH-2019-11022
Datensatz-ID: 773311
Beteiligte Länder
Germany
