Methoden zur Entkopplung von Ablauf und Fehlerhandhabung in Maschinensteuerungen

Abstract

Im Zuge der wachsenden Anlagengröße in der Industrie werden auch die Maschinensteuerungen immer umfangreicher und komplexer. Die Anlage soll geschützt werden und Gefahren für Menschen und Umwelt sollen ausgeschlossen werden. Um die Sicherheit zu gewährleisten müssen Systemfehler, wie der Ausfall von Komponenten, rechtzeitig erkannt und behoben werden. Die Entwicklung im Bereich Sicherheit bei Maschinensteuerungen schreitet nicht im selben Ausmaß wie die Komplexität der Steuerungssysteme voran. Dies liegt darin begründet, da mit steigender Komplexität der Steuerungsfunktion der Aufwand für die Realisierung von Sicherheits-Systemen überproportional ansteigt. Bei bisherigen Realisierungen werden nur wenige Fehler erkannt, weil die Anlagen nicht zur Genüge analysiert werden. Da eine Trennung der Fehlerhandhabung vom Steuerungscode mit großen Aufwand verbunden ist, wird diese meist direkt in den normalen Programmablauf integriert.<br />Daraus resultiert ein erheblicher Mehraufwand bei nachträglichen Änderungen.<br />Das Ziel dieser Diplomarbeit ist, Methoden zur Trennung der Fehlerhandhabung vom normalen Steuerungscode zu erarbeiten. Um dieses Ziel zu erreichen, wird ein Entwurfsmuster für diese Trennung entworfen.<br />Eine Analyse von bestehenden Anlagen zeigt, welche Fehler in Maschinensteuerungen auftreten können und wie diese am einfachsten erkennbar sind. Die Ergebnisse der Analyse werden verwendet, um eine Bibliothek von wiederverwendbaren Bausteinen zur Fehlererkennung und Fehlerbeseitigung zu entwickeln. Es wird zudem untersucht wie gut sich der Industriestandard IEC 61499 für die Implementierung eignet. Das Entwurfsmuster wird anhand der Ablaufsteuerung einer Spritzgussmaschine evaluiert.<br />Das entwickelte Entwurfsmuster vereinfacht die Trennung der Fehlerhandhabung vom normalen Programmablauf signifikant, wodurch der Steuerungscode um ca. 40% reduziert werden konnte. Anhand der Evaluierung mit der Spritzgussmaschine konnte eine große Wiederverwendbarkeit nachgewiesen werden. Die entwickelten Bibliotheksbausteine ermöglichen einen modularen Aufbau der Fehlererkennung und zeigen auch eine große Wiederverwendbarkeit. Durch die hohe Wiederverwendbarkeit des Entwurfsmusters und der entwickelten Bibliotheksbausteine ist eine Verwendung in zukünftigen Maschinen- und Robotersteuerungen sehr vorteilhaft.<br />

Due to the growing size of the plants in the industry, also the amount and complexity of machine controls become higher. The plant itself should be protected and hazards for people and the environment have to be avoided. To fulfill the safety requirements, system-errors like blackout of components have to be detected early and have to be handled. The progress in the field of safety doesn't grow as fast as the complexity of the controlling systems, since the time and effort to install safety systems grows faster than the complexity of control functions. In previous implementations only a few errors could be detected, due to the insignificant analysis of the plant. Because the separation of control code and error handling often results in great labor, the error handling is usually directly implemented in the control code. As a result additional expenses are needed to ensure later changes.<br />The objective of this work is to develop methods for the separation of the error handling and the control code. To reach this target a design pattern for separation is developed. An analysis of current plants shows which errors are detected. As a result the easiest way to detect errors is shown. The results are used to develop a library of reusable function blocks for error detection and error correction. Furthermore the qualification of the implementation for the IEC 61499 standard is going to be examined. The design pattern is evaluated with the sequence control of a molding machine. The developed design pattern simplifies the separation of the error handling and the control sequence significantly, whereby the control code can be reduced by approximately 40 percent. The reusability is proven by the evaluation based on the sequence control of a molding machine. The developed library blocks allow a modular design of the fault detection and have good reusability. Due to the high reusability of the design pattern and the developed library blocks, this concept is very beneficial for the use in future machine and robot controls.<br />