Evaluation of downtimeless system evolution in automation and control systems : how to decide whether a system under operation can be changed without disturbances?

Abstract

Diese Arbeit beschäftigt sich mit der unterbrechnungsfreien Änderung der Funktion von Automatisierungssystemen für Produktionsprozesse. Diese müssen über den ganzen Lebenszyklus einer Anlage an die ständig veränderlichen Anforderungen wie etwa neue Produkte oder Produktvarianten angepasst werden. Da Änderungen aber durch den hohen Druck des freien Wettbewerbs zu keinem Stillstand der Anlage führen dürfen, muss das gesamte System kontinuierlich während des Betriebs adaptiert werden. Diese Änderung des Automatisierungssystems wird hier mit unterbrechungsfreier Systemevolution bezeichnet.<br />Aktuelle Automatisierungssysteme bieten zwar großteils die Möglichkeit, Umschaltungen der Steuerungslogik während des Betriebs durchzuführen, dabei werden aber Störungen in das System eingebracht, die z.B. zu verminderter Produktqualität oder auch Beschädigung der Anlage führen können. Um dies verhindern zu können, muss der Anwender in der Lage sein, die Evolution des Automatisierungssystems explizit auf die jeweilige Situation abzustimmen.<br />Diese Arbeit führt einen neuen Engineering-Zyklus für die Evolution von Steuerungssystemen ein, der es dem Anwender erlaubt, die Art und Weise der Durchführung einer Evolution frei zu programmieren. Dazu werden die vorhandenen Programmiersprachen genutzt und um die Möglichkeit zur dynamischen Rekonfiguration erweitert. Durch die Ausführung dieses sogenannten Evolutionssteuerungsprogramms kann das aktuelle Steuerungsprogramm (und unter Mitwirkung des Anwenders auch die dazugehörige Hardware) während des Betriebes verändert werden.<br />Die wichtigste Fragestellung in diesem Zusammenhang ist die Korrektheit des Evolutionssteuerungsprogramms. Ein neuer Zustand des Steuerungsprogramms kann mit herkömmlichen Mitteln auf Richtigkeit geprüft werden, aber für die Übergangsphase während der Änderung des Systems im laufenden Betrieb gibt es derzeit noch keine adäquate Überprüfungsmethode. Deshalb legt diese Arbeit ihren Schwerpunkt auf die Evaluierung von unterbrechungsfreien Systemevolutionen von Automatisierungssystemen.<br />In dem neuartigen Ansatz wird die Engineeringmethode mit den Eigenschaften für eine fehlerfreie Evolution in Zusammenhang gebracht und daraus die notwendigen Maßnahmen zur Evaluierung abgeleitet. Als wesentliches Grundkonzept wird der aktuelle, umfassend dargestellte Systemzustand hervorgehoben, der KAPPA Vektor genannt wird. Diese sich entsprechend der Evolution ändernde Größe ist die Grundlage für den gesamten Evaluierungsprozess. Auf Basis dieser Systembeschreibung werden zwei Arten von Überprüfungen durchgeführt: regelbasierte Berechnungen und Verifikation durch Model Checking. Beiden Fällen liegen die umfassenden Informationen aus dem KAPPA Vektor zugrunde. Dadurch kann die Veränderung des Automatisierungssystems vollständig überprüft und somit erst die neue Methodik der unterbrechungsfreien Evolution in der Praxis angewendet werden.<br />

This thesis concentrates on downtimeless evolution of the functionality of automation and control systems for production processes. These processes have to be adapted during the whole life cycle of the plant because of changing requirements, for instance new products or product variants. In addition, the free competition forces the companies to do not stop their production during the application of such changes. During operation the whole production plant has to be continuously adapted. These changes are introduced as downtimeless system evolution of automation and control systems in this thesis.<br />Current state of the art automation and control systems already provide the possibility to apply changes during operation to some extent. But these changes of the control logic introduce disturbances to the production processes, which may lead to reduced product quality or even damage of the plant machinery. In order to avoid these failures, the engineer has to be in the position to explicitly coordinate the evolution of the automation and control system to the special needs of the application.<br />Within this thesis we introduce a new engineering cycle for downtimeless system evolution. Thus the user is capable to freely program the kind of changes which will be applied during the evolution execution. Therefore, existing programming languages will be used, which additionally include the possibility for dynamic reconfiguration. Due to these applications, the so called evolution control applications, it is possible to change the current control logic during its operation. By additional interaction of the user also hardware components may be changed during operation.<br />The most important aspect for the execution of system evolution is the question regarding correctness. The new system state of the plant may be checked by conventional methods. But the check for the transition to the new system state needs a new methodology, as there is no concept available in literature up to now. This work provides as its main contribution an evaluation method for downtimeless system evolution.<br />The new methodology combines the engineering method and the basic properties of a correct downtimeless system evolution, which leads to a set of necessary measures for the evaluation. As main concept the current system state-a comprehensive description of all involved elements called KAPPA vector-is put into the center of investigations.<br />The dynamically changing character of the system state during execution of the evolution control application is the basis for the overall evaluation method. As evaluation means two different concepts are applied: rule-based calculations and verification by model checking.<br />Both concepts are based on the information provided in the KAPPA vector.<br />Therefore the evolution of an automation and control system can be checked sufficiently and the new methodology of downtimeless system evolution can be applied to real systems.<br />