Development and simulation framework for industrial production systems

Abstract

Produktionssysteme sind komplexe Strukturen. Der steigende Bedarf an individualisierten Produkten und die gleichzeitige Reduktion der Lebenszyklen von Konsumgütern erfordern Adaptionen der Fertigungssysteme. Deshalb sind häufige Änderungen an den eingesetzen Produktionsanlagen zu erwarten. An ihrer Entstehung wirken unterschiedliche Disziplinen (z.B. Mechanik, Elektrik, Pneumatik, Steuerungstechnik) mit. Immer mehr Funktionen, die früher mechanisch oder elektromechanisch bereitgestellt wurden, werden nun durch Steuerungssysteme übernommen. Daher steigt auch der Anteil der Steuerungstechnik an den Gesamtkosten stetig. In häufig eingesetzen Entwicklungsworkflows, die eine serielle Bearbeitung vorsehen, ist der steuerungstechnische Entwurf der letzte Entwicklungsschritt vor der Inbetriebnahme. Daher lastet hoher Druck auf den Entwicklerinnen und Entwicklern der Steuerungssysteme, sowohl in Bezug auf Funktionalität, als auch bezüglich Kosten und Inbetriebnahmetermin. Modell-basierte Entwicklung ist ein vielversprechender Ansatz, um eine kooperative Entwicklung aller involvierten Disziplinen zu ermöglichen. Das Ziel dieser Arbeit ist es, einen neuen, multi-disziplinären Ansatz für die Spezifikation, Entwicklung und Validierung von Produktionsanlagen zu entwickeln. Die Infrastruktur zur Modellierung, angelehnt an die Model Driven Architekture (MDA), ist der zentrale Punkt des vorgeschlagenen Ansatzes. Eine Reihe von Modellen, die jeweils unabhängig voneinander Platz für unterschiedliche Aspekte aus den verschiedenen Domänen bieten, wird spezifiziert. Zur Erhöhung der Wiederverwendbarkeit und zur Vereinfachung der Spezifikation und Implementierung wurden funktionelle Module, sogenannte Automationskomponenten (Automation Components), eingeführt. Diese sind die Bausteine für den Aufbau von automatisierten Produktionssystemen. Der vorgeschlagene Entwurfsprozess zielt auf eine konzentrierte, simultane Systemspezifikation aller beteiligten Disziplinen ab. Derzeit verwendete Entwurfswerkzeuge (z.B. CAD Programme, Steuerungsentwicklungsumgebungen) sollen integriert werden und Modell-Transformationen sollen zur automatischen Extraktion von Entwurfsdaten genutzt werden Die frühe Verfügbarkeit umfassender Spezifikationsdaten ermöglicht eine weitgehend parallelisierte Implementierung in allen Disziplinen (z.B. mechanische Konstruktion, Steuerungsentwicklung). Dadurch kann eine Reduktion der Entwicklungs- und Implementierungszeit erreicht werden. Auch für spätere Rekonfigurations-Tätigkeiten ist es wichtig, die Spezifikation und die tatsächliche Anlagenkonfiguration synchron zu halten. Die hierarchische Aggregation der Automationskomponenten mit ihren klar definierten Schnittstellen und gekapseltem Verhalten unterstützt diese Aufgabe, da Änderungen rein lokal beschränkt sind. Die direkte Einbeziehung der Verhaltenssimulation der Anlage in den Spezifizierungs- und Entwicklungsprozess von Produktionsanlagen ist eine Innovation. Dies erlaubt die Simulationsmodelle der automatisierten Anlagen synchron mit den tatsächlichen (oder geplanten) Anlagenkonfiguration zu halten. Die Implementierung des Steuerungssystems kann bereits ohne die physische Verfügbarkeit der projektierten Anlage begonnen werden. Das vorgeschlagene Simulations-Framework basiert auf der IEC 61499-konformen Laufzeitumgebung FORTE. Durch ihre ereignis-basierte Ausführungssemantik ist sie für diskrete Ereignissimulation geeignet. Auch die modulare Aggregation von Funktionalitäten, auf Basis von Funktionsbausteinen, erleichtert die Modellierung von modularen Anlagen und Komponenten. Steuerungsanwendungen und die Anlagensimulation wird auf dem selben Steuerungssystem (eine oder mehrere Steuerungen) ausgeführt. Dies erlaubt einerseits eine einfache Kopplung von Simulation und Steuerungsanwendung ohne Kommunikationsoverhead. Andererseits wird die Ausführung der Steuerungsanwendung nicht beschränkt, da das selbe Steuerungssystem (inkl. Laufzeitsystem) wie im Betrieb verwendet wird. Verschiedene Szenarien, von der vollständigen Simulation, über die hybride Simulation, der Einbeziehung externer Simulationsanwendungen bis hin zu Tests und operativem Betrieb, unterstützen den Steuerungstechniker in den verschiedenen Phasen der Entwicklung von Steuerungsanwendungen. Zur Validierung des vorgestellten Ansatzes werden Testfälle aus drei verschiedenen Bereichen vorgestellt. Diskrete Fertigungsanlagen, Robotik-Anwendungen und Prozesstechnik werden abgedeckt. Jede Domäne hat eigene Anforderungen, die vom vorgestellten Entwicklungsprozess erfüllt werden müssen. Für die Evaluierung des vorgeschlagenen Ansatzes werden alle relevanten Elemente des Workflows implementiert. Die Machbarkeit eines integrierten Entwurfs- und Simulationsprozesses wird anhand dieser drei Testfälle gezeigt. Die Modellierungsinfrastruktur unterstützt eine klare Aufgabenteilung. Verschiedene Modelle und Schnittstellen (zwischen den Disziplinen) werden kooperativ von Expertinnen und Experten aus unterschiedlichen Disziplinen spezifiziert. Das gut geeignete Validierungswerkzeug der diskreten Ereignissimulation wird durch die Wiederverwendung von Spezifikationsdaten zur automatischen Erstellung der Simulationsmodelle ohne großen Zusatzaufwand erschlossen. Dies ermöglicht unproduktive, und daher kostenintensive, Inbetriebnahmephasen zu verkürzen. Mit dem Aufbau von umfangreichen Bibliotheken von Automationskomponenten kann der Entwicklungsaufwand aller involvierten Disziplinen signifikant reduziert werden. Daher können Entwurfszyklen für den Aufbau neuer sowie den Umbau bestehender Produktionssysteme verkürzt werden.

Production systems are complex structures. The growing need for customized mass-goods and decreasing life cycles of consumer goods imposes the demand for flexible manufacturing systems and frequent changes to deployed plants. Different disciplines are involved in their creation. More and more functionalities are covered by automatic control software. Hence, its share in terms of costs and development time is ever increasing. However, in prevalent, serialized development workflows, automatic control development is one of the last disciplines involved. This imposes pressure regarding functionality, costs, and also commissioning time on automatic control engineers. Model-based engineering is a promising approach to improve this situation as it enables and fosters the collaboration of all involved disciplines. The aim of this thesis is to introduce a new multi-disciplinary approach for the specification, development, and validation of production systems. The core of the proposed approach is the modelling infrastructure, which is inspired by the Model Driven Architecture (MDA). A set of models, each for different engineering aspects, is linked to provide coherent, multi-disciplinary data that is relevant for the implementation of production systems. Functional modules, so called Automation Components, are introduced. These are the building blocks of automated production systems. Furthermore, they facilitate the specification and implementation process, as the re-use of Automation Components reduces the engineering effort. Furthermore, once specified and implemented components usually have higher quality. The proposed workflow targets the simultaneous system specification in all involved disciplines. Currently used engineering tools, such as CAD tools or PLC programming tools, shall be integrated and model-transformation facilities are used to extract engineering data. The availability of a comprehensive specification early in the engineering workflow allows the parallelized implementation in the involved disciplines (e.g. mechanical construction, programming of the automatic control system). Hence, the overall development and implementation time can be reduced. For further reconfiguration activities it is important to keep the specification of the automated system accurate and coherent with the actual implementation. The hierarchical aggregation of Automation Components, with clearly defined interfaces and encapsulate behaviour, support this task, as changes are locally confined. The direct inclusion of plant behaviour simulation in the specification and development workflow is an innovation. This allows also to keep the simulation model of the automated plant coherent with the actual (or planned) plant configuration. Implementation can already be started without the physical availability of the controlled plant. The simulation environment provides a virtual representation of the plant and allows the validation of automatic control applications (i.e. virtual commissioning). The simulation framework is based on the IEC 61499 compliant runtime environment FORTE. Its event based execution semantics is suitable for discrete event simulation. Also the modular aggregation of functionality-based on Function Blocks-facilitates the modeling of modular plant models (with the same structure as the Automation Components). The automatic control application and the plant simulation application are executed on the same automatic control system (one or multiple automatic control devices). First, coupling plant simulation and automatic control is possible without communication overhead. Second, the execution of the automatic control application is not restricted, as it is the same type of runtime environment they are deployed to later in the field. Different scenarios, such as full simulation, hybrid simulation, inclusion of external simulation tools, and finally operation and testing, support automatic control engineers during various phases of the automatic control development. Finally, test cases from three different domains are selected. Discrete manufacturing plants, robotics applications, and process technology are covered. Each domain has unique requirments that have to be fulfilled by the proposed engineering process. For the evaluation of the proposed approach all relevant elements of the workflow are implemented. The feasibility of an integrated engineering and simulation workflow is validated with the help of these three test cases. Different models and interfaces (between the disciplines) are maintained through the collaboration of experts from multiple disciplines. Automatic control engineers gain access to the well-suited validation tool of discrete event simulation with little additional specification effort by reusing specification data for the automatic generation of simulation models. This helps to reduce the unproductive, and thus costly, commissioning and rampup time. With the establishment of comprehensive libraries of Automation Components the engineering effort, across all involved disciplines, is significantly reduced. Hence, the engineering cycles for the creation of production systems or their adaptation to meet new requirements are shortened.