Basic real-time reconfiguration services for zero down-time automation systems

Abstract

Die fortschreitende Globalisierung und die steigende Konkurrenz aus Niedriglohnländern zwingen produzierende Unternehmen, neue Produktionstechnologien einzusetzen. Künftige Produktionsanlagen müssen sich durch schnelle kostengünstige Änderungsfähigkeit auszeichnen.<br />Mehrere Vorstöße wurden unternommen um flexible und adaptive Produktionsanlagen zu ermöglichen. Die meisten dieser Ansätze waren auf die oberen Ebenen von industriellen Steuerungssystemen fokussiert und berücksichtigen keine Maßnahmen um die Flexibilität und Anpassungsfähigkeit auf den unteren Ebenen, den Echtzeitschichten, von industriellen Steuerungssystemen zu erhöhen. Ein viel versprechender Ansatz für erhöhte Flexibilität und Anpassungsfähigkeit ist die dynamische Rekonfiguration, die es erlaubt Anwendungen während des Betriebes eines Systems zu ändern. Zurzeit eingesetzte Echtzeitsteuerungssysteme sind im Allgemeinen aufgrund ihrer zentralen Architektur nicht dafür geeignet die Funktionalität, dynamische Rekonfiguration, zur Verfügung zu stellen. Die im neuen Standard IEC 61499 der Internationalen Elektrotechnischen Kommission definierte Architektur ist ein geeigneter Ausgangspunkt für einen dynamischen Rekonfigurationsansatz. Es werden eine verteilte Architektur und eine grundlegende Rekonfigurationsunterstützung definiert, allerdings fehlen in der IEC 61499 Definitionen und Mechanismen für die dynamische Rekonfiguration und die Echtzeitabarbeitung von Steuerungsanwendungen.<br />Beides sind Hauptanforderungen für anpassungsfähige industrielle Steuerungssysteme, die in dieser Arbeit behandelt werden. Das Ziel dieser Arbeit ist die Entwicklung einer Ausführungsumgebung für die unterlagerte Echtzeitsteuerungsschicht von Automatisierungssystemen, welche dynamische Rekonfiguration von Steuerungsanwendungen unterstützt.<br />Dies beinhaltet die Ausführung von Steuerungsanwendung unter Einhaltung von Echtzeitschranken und die Möglichkeit Steuerungsanwendungen während des Betriebs zu ändern. Der Lösungsansatz um dieses Ziel zu erreichen besteht aus zwei Hauptteilen. Erstens die Entwicklung von Mechanismen, welche es erlauben, Rekonfigurationsprozesse in Form von benutzerprogrammierbaren Anwendungen durchzuführen, und zweitens, die Entwicklung eines Echtzeitabarbeitungsmechanismus für Steuerungs- und Rekonfigurationsanwendungen. Eine Rekonfigurationsanwendung führt den Rekonfigurationsprozess, welcher die vorhandene Anwendung in die Zielanwendung umwandelt, durch.<br />Da die Rekonfigurationsanwendung eine benutzerprogrammierbare Anwendung ist, kann sie an unterschiedliche Rekonfigurationsszenarien angepasst werden. Solch eine Anwendung überwacht und verändert die Steuerungsanwendung durch einen Satz von Rekonfigurationskommandos. Im Rahmen dieser Arbeit wird der kleinstmögliche Satz an Rekonfigurationskommandos identifiziert. Dieser Satz erlaubt es jeden Rekonfigurationsprozess, der in einem IEC 61499 System möglich ist, durchzuführen. Für die Durchführung von dynamischen Rekonfigurationsprozessen, während des Betriebs von Anlagen, ist eine zeitbeschränkte Abarbeitung der Rekonfigurationsanwendung notwendig.<br />Die Basis für den neuen Echtzeitabarbeitungsansatz ist die bestehende Echtzeitabarbeitungstheorie aus dem Gebiet der Echtzeitcomputersysteme. Es wird untersucht welche IEC 61499 Elemente sich am besten eignen, um einem Echtzeittask zugeordnet zu werden. Bestehende Ansätze waren diesbezüglich auf strukturelle Elemente begrenzt. Diese Untersuchung erweitert dies auch auf logische Elemente. Das logische Element, das die Anforderungen am besten erfüllt, ist die so genannte Ereigniskette (eng.<br />Event Chain). Einer Ereigniskette entspricht die Abarbeitung, die in einer IEC 61499 Anwendung stattfindet, ausgelöst durch ein geräteexternes Ereignis (z.B. Interrupt, Nachricht vom Netzwerk). Die Ereigniskette und die externen Ereignisse definieren die Struktur der neuen Ausführungsumgebung. Durch Anwendung verschiedener Schedulingalgorithmen wird eine deterministische Echtzeitabarbeitung von IEC 61499 zur Verfügung gestellt. Um die entwickelten Konzepte zu testen und zu überprüfen, werden mehrer Experimente durchgeführt. Diese sind einerseits Echtzeitabarbeitungsexperimente und andererseits Echtzeitrekonfigurationsexperimente. Als abschließendes Experiment dient ein reales Steuerungsbeispiel, nämliche die Regelung eines inversen Pendels. An diesem werden unterschiedliche Regelungsszenarien angewendet und zwischen diesen Regelungsszenarien wird während des Balancierens des Pendels umgeschaltet.<br />Es ist die Absicht des Autors, einen bedeutenden technologischen Fortschritt in Richtung anpassungsfähiger Produktionssysteme ohne Stillstandszeiten zu tätigen. Die Resultate stellen Mittel der Echtzeitrekonfiguration auf den unteren Ebenen industrieller Steuerungssysteme zur Verfügung. Als technologische Vision könnten ähnliche Rekonfigurationsmethoden auf höhere Steuerungsebenen übertragen werden, um selbstadaptive Produktionssysteme mit hoher Effizienz für sehr kleine Losgrößen zu ermöglichen.<br />

The ever accelerating globalisation and heavy competition from low-wage countries force companies with own production to adopt new technologies. Future production facilities need to be flexible, adaptable, and capable of fast changes with little costs. Several approaches have been conducted in order to provide more flexibility and adaptability to production facilities. Most of these approaches were focused on only the higher levels of industrial control systems and did not consider measures to increase flexibility and adaptability on the lower level real-time control layers. A promising approach for providing flexibility and adaptability is dynamic reconfiguration. Dynamic reconfiguration allows changing applications during operation of a system. State of the art real-time control systems are generally not suited to adopt the feature of dynamic reconfigurability, mainly because of their central architecture. The architecture defined in the new standard from the International Electrotechnical Commission, IEC 61499, is a suitable basis for a dynamic reconfiguration approach. It provides a distributed architecture and basic reconfiguration support. However IEC 61499 is still missing definitions and mechanisms for dynamic reconfiguration and real-time execution of control applications. Both are main requirements for adaptive industrial control systems which are targeted in this work.<br />The goal of this thesis is to provide an execution environment for the lower level real-time control layer of automation systems, supporting dynamic reconfiguration of control applications. This includes the execution of real-time constrained control applications and the support for changing the control applications while they are executing and controlling the plant. The approach for achieving this goal is twofold:<br />First to develop mechanisms that allow to conduct reconfiguration processes by user programmable reconfiguration applications, and second, to develop a real-time execution mechanism for control applications and reconfiguration applications.<br />A reconfiguration application conducts the reconfiguration process, which transforms the existing application into the target application.<br />As the reconfiguration application is a user programmable application it can be adapted to different reconfiguration scenarios. Such an application monitors and changes the control application through a set of reconfiguration services. We identify the smallest possible set of reconfiguration services still allowing to conduct any reconfiguration process possible in an IEC 61499 control system. For conducting a dynamic reconfiguration process during the operation of a plant a timely execution of the reconfiguration applications is necessary.<br />The basis for the new execution approach is the existing real-time execution theory from the domain of real-time computer systems. We investigate what elements in IEC 61499 are best suited to be mapped to a real-time task. Existing approaches were limited on structural elements.<br />We extend this investigation towards logical elements. The logical element that suits most is the so called Event Chain. An Event Chain is the execution that takes place in an IEC 61499 application triggered from outside the control device (e.g. interrupts, network messages). The Event Chain and the external triggers define the structure of the new execution environment. While applying different scheduling algorithms we are able to provide real-time constrained execution of IEC~61499 applications.<br />In order to test and verify the developed concepts we conduct several experiments. These are on the one hand real-time execution experiments and on the other hand real-time reconfiguration experiments. The final experiment is a real-world control example: the balancing of an inverted pendulum. Different control scenarios are applied. Furthermore the control scenarios are switched during the balancing of the pendulum.<br />It is the intention of the author to provide a significant technological progress towards adaptive production systems with zero down-times. The results provide means of real-time reconfiguration on the lower levels of industrial control systems. As a technological vision, similar reconfiguration mechanisms could be levered up to higher control levels, allowing self adaptive production systems with high efficiency also for very small lot sizes.