Deterministische, dynamische Systemstrukturen in der Automatisierungstechnik

Mersch, Henning; Wollschlaeger, Martin; Epple, Ulrich

doi:0178-9546

Deterministische, dynamische Systemstrukturen in der Automatisierungstechnik = Deterministic, dynamic system structures for automation technology

Mersch, Henning

2016

VerantwortlichkeitsangabeDipl.-Inform. Henning Mersch, Bielefeld

AusgabeAls Manuskript gedruckt

ImpressumDüsseldorf : VDI Verlag 2016

Umfang1 Online-Ressource (XI, 131 Seiten) : 77 Bilder, 3 Tabellen

ISBN978-3-18-524508-4

ReiheFortschritt-Berichte VDI. Reihe 8, Mess-, Steuerungs- und Regelungstechnik ; 1245

Dissertation, RWTH Aachen, 2015

Auch veröffentlicht auf dem Publikationsserver der RWTH Aachen University

Genehmigende Fakultät
Fak05

Hauptberichter/Gutachter
Epple, Ulrich (Thesis advisor)^RWTH* ; Wollschlaeger, Martin (Thesis advisor)

Tag der mündlichen Prüfung/Habilitation
2015-11-26

Online
URN: urn:nbn:de:hbz:82-rwth-2016-009042
URL: https://publications.rwth-aachen.de/record/567667/files/567667.pdf

Einrichtungen

Inhaltliche Beschreibung (Schlagwörter)
Ingenieurwissenschaften und Maschinenbau (frei) ; Anlagen (frei) ; Automatisierungstechnik (frei) ; Systemstruktur (frei) ; Modelle (frei) ; Verteilte Systeme (frei) ; Dynamik (frei) ; Nachvollziehbarkeit (frei) ; Flexibilität (frei) ; OPC-UA (frei)

Thematische Einordnung (Klassifikation)
DDC: 620

Kurzfassung
Für die Weiterentwicklung der Automatisierungstechnik ist die erweiterte Zusammenarbeit der automatisierungstechnischen Geräte wichtig. Dieses gilt für alle Phasen einer Anlage: Von derPlanung über die Produktion bis zur Wartung. Ebenso auch für die horizontale und vertikale Integration während der Produktion. Viele aktuelle Themen, wie „Industrie 4.0“ oder „Cyber Physical Systems“ gehen davon aus, dass Informationen aus dem Engineering zur Produktionszeitbereit stehen. Hierzu leistet diese Arbeit einen Beitrag. Informationen werden heutzutage noch häufig entweder nicht elektronisch auswertbar gespeichert (beispielsweise als Grafiken) oder sind so abgelegt, dass nur einzelne Programme auf sie zugreifen können. Hierdurch sind die existierenden Informationen nicht so weit zugreifbar, wie sie es eigentlich sein könnten. Modelle spielen hierbei eine entscheidende Rolle: Sie beschreiben Sachverhalte der Anlagen. Die meisten der heutigen Modelle werden bei ihrer Spezifikation in einem elektronisch abbildundauswertbaren Format definiert, sodass ein Computer die Informationen sowohl bereitstellen, wie auch auswerten und damit nutzen kann. Werden diese Modelle zur Produktionszeit bereitgestellt und genutzt, werden hierdurch dynamische Änderungen ermöglicht, die heutzutage nicht üblich sind. In der Automatisierungstechnik wird deswegen immer mehr angestrebt, Modelle zur Beschreibung der unterschiedlichsten Sachverhalte zu nutzen. Modelle beschreiben unter anderem Systemstrukturen einer Anlage. Dabei werden themen-spezifische Modelle entwickelt, die unabhängig voneinander jeweils eigene Blickwinkel der Automatisierungstechnik auf eine Anlage beschreiben. Im Gegensatz dazu wurden Versuche, bei denen eine Domäne als Ganzes (wie beispielsweise Automatisierungstechnik) abgebildet werden soll, nicht von Erfolg gekrönt. Die Modelle konnten sich beispielsweise nicht etablieren, weil eine Verbreitung nicht erreicht wurde. Dieses mag insbesondere daran gelegen haben, dass die jeweiligen Detaillierung von umfassenden Modellen (sogenannten „Welt-Modellen“) für spezifische Anwendungsfälle nicht ausreichend waren. Da diese Modelle in dem Fall nicht eingesetzt werden konnten, wurde wiederum auf Eigenentwicklungen gesetzt, was den Bestrebungen des Welt-Modells widersprach. Die vorliegende Arbeit beschreibt Mittel, um die gleichen Ziele zu erreichen, aber auf ein zentralistisches Modell zu verzichten: Existierende, heterogene Modelle werden in allen Phasen und Ebenen einer verteilten Umgebung, wie in einem automatisierungstechnischen System, nutzbar gemacht. Hierzu wird zum einen eine verteilte, dynamische modellgetriebene Instanzumgebung beschrieben. Sie kann als Erweiterung von existierenden Technologien begriffen werden, wird aber unabhängig von diesen dargestellt. Durch diese modellgetriebene Instanzumgebung wird erreicht, Teile eines Modells auf unterschiedlichen Geräten bereitzustellen. Diese sind in einer einheitlichen Weise abfragbar und erkundbar. Hierdurch können die im Modell abgebildeten Systemstrukturen an einem „sinnvollen“ Ort abgelegt werden, der nach Kriterien, wie der häufigsten Nutzung, der höchsten Ausfallsicherheit oder der schnellsten Verfügbarkeit beim Zugriff erfolgen kann. Gleichzeitig bietet eine solche Ausführungsumgebung der Modelle die Möglichkeit dynamisch auf Änderungen zu reagieren: kollaborativ erfolgen Änderungen von unterschiedlichen Anwendungen. Dabei muss jedoch insbesondere die Transaktionssicherheit sowie Nachvollziehbarkeit (Determinismus) der Änderungen gegeben sein. Zum anderen beschreibt die Arbeit ein Konzept zur Interkonnektion von Modellen. Hierbei werden Teile von Modellen, die unabhängig voneinander entworfen wurden, in Relation zueinander gesetzt. Interkonnektionen stellen dabei eine Form von Relationen dar, die jedoch keinerlei Abhängigkeit an Ausgangs- sowie Zielpunkt voraussetzen. Dieses erlaubt die Modellierung von zusätzlichen Sachverhalten, sodass die Interkonnektion von Modellen wiederum ein Modell ist. Durch die Kombination dieser beiden Aspekte ergibt sich eine verteilte, deterministische und dynamische Ausführungsumgebung für Systemstrukturen. Voraussetzung ist ein gemeinsames Meta-Modell sowie Verständnis der Problematik. Als Folge können Modelle unabhängig voneinander entworfen werden. Eine solche Ausführungsumgebung muss dabei Schnittstellen bereitstellen, um die Informationen abzufragen und entsprechende Änderungen vorzunehmen. Erst hierdurch können aufbauende Anwendungen einen realen Nutzen aus den Konzepten ziehen. Insgesamt ergibt sich so eine Lösung, um Modelle zu den unterschiedlichen Phasen und Ebenen einer Anlage - insbesondere auch zur Produktionszeit - zu nutzen. Die Integration der verteilten, unterschiedlichen Modelle beschreibt die informationstechnische Basis, um dynamisch auf Änderungen in den Systemstrukturen zu reagieren. Hierunter werden beispielsweise Änderungen der Anlagenstruktur durch Umbauten ebenso verstanden, wie unterschiedliche Produktionsaufträge.

For the future development of automation technology the enhanced collaboration of automation devices is important. This is true for all phases of a plant, from planning to production to maintenance, as well as for the horizontal and vertical integration during the production. A lot of current topics like “Industry 4.0” or “Cyber Physical Systems” act on the assumption that engineering information is available during the production phase, which is not the case today. The dissertation addresses this topic. Nowadays information is often stored not electronic analyzable (e.g. as graphic) or accessibleonly by single programs. So existing information is not accessible as far as it could be. Models are acting as an important part: They describe characteristics of a plant. Most of today’s models are defined in an electronically representable and evaluable format by their specification. So a computer could host and provide these models as well as evaluate and use them. If they are provided and used during the production phase, dynamical changes are made possible, which is not usually the case nowadays. Therefore, in automation technology models are used for the description of different topics. Topic-specific models are developed, that are independent from each other and describe different aspects of the domain of automation technology. In contrast attempts to describe the whole domain of automation technology in one model were not successful. Those models could not be widely established since their adoption could not be achieved. This could be due to the fact that models describing a whole domain (“World-Models”) are not detailed enough to be used for specific cases. So specific models were required to be defined, which contradicts the purpose of whole domain model. This work describes instruments without a centralized model: Existing, heterogeneous models can be used in all phases and levels of a distributed system like a plant in a homogenous way. Therefore a distributed, dynamic, model-driven execution environment is described. This could be seen as a further development of existing technologies, but is described independent of those. In this model-driven execution environment parts of a model could be provided by distributed devices. In a common way models are discover- and query-able. Therefore, information could be stored in a judicious place, that is defined by most frequent usage, highest reliability or fastest availability. At the same time such a model-driven execution environment provides for the possibility of dynamic changes: Changes are established in a collaborative way from different applications. For that purpose transaction security as well as comprehensibility (determinism) needs to be assured. Additionally, this work describes the concept of interconnections of models: Parts of models, which are designed independent of each other, are put in relation. Interconnections are a special type of relations not having dependencies at start- or endpoint. This enables modeling of additional aspects, so interconnections of models are models again. This combination of instruments represents a distributed, deterministic and dynamic model execution environment of system structures. A requirement for this is a common used metamodel as well as a complete understanding of the topic. Models can be specified independent of each other. A model execution environment will provide interfaces for querying information and for making changes to all models. Applications will be based on this. The overall result is a solution, which makes the use of models feasible during all phases of a plant - especially during production time. The integration of the distributed models provides an information-technology foundation for dynamic changes on system architecture. This covers changes of plants due to rebuilding as well as production orders.

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