Eine Methode zur Leistungsbewertung von ereignisgesteuerten industriellen Steuerungssystemen

Abstract

Mit zunehmenden Bemühungen zur Einführung von herstellerunabhängigen Softwarestandards für Industriesteuerungen hat die Vergleichbarkeit von industriellen Steuerungssystemen in den letzten Jahren zugenommen. Dies trifft für die Steuerungskomponenten jedoch nicht im gleichen Ausmaß zu. Viel Zeit und Aufwand ist hingegen in die Erstellung von Bewertungsprogrammen oder Benchmarks für Industriesteuerungen investiert worden. Mit den entstehenden Möglichkeiten von ereignisgesteuerten und verteilten Systemen nimmt auch der Bedarf an Benchmarks für solche Systeme zu. Der Schwerpunkt dieser Arbeit liegt auf der Konstruktion einer Benchmark für industrielle ereignisgesteuerte Steuerungssysteme. Zu diesem Zweck werden Forderungen an industrielle und ereignisgesteuerte Benchmarks formuliert und anhand dieser vorhandene Benchmarks ausgewertet. Die gewonnenen Einsichten in Kombination mit bekannten Methoden für Leistungsbewertung werden benutzt, um Leistungskenngrößen und einen geeigneten Monitor zu spezifizieren. Für die Realisierung eines Leistungsbewertungsprogramms werden mehrere ereignisbasierte Entwicklungsumgebungen untersucht. Obwohl die Implementierung des vorgeschlagenen Programms nur anhand einer dieser Entwicklungsumgebungen, in diesem Fall der 4DIAC-IDE, demonstriert wird, stellt dies nicht die einzige Möglichkeit dar. Die Konstruktion der Testumgebung sowie einige mögliche Stolpersteine werden im Detail diskutiert. Zudem wird eine neue Kategorisierung von Operation für ereignisgesteuerte Steuerungssysteme vorgeschlagen. Diese dient der Auswahl der Testapplikationen. Eine Kombination aus Applikationen für grundlegende Funktionsbausteinstrukturen und einige repräsentative Steuerungsapplikationen aus dem Gebiet diskrete Fertigung wird vorgeschlagen. Die Steuerungsapplikationen sind eine fliegende Schere, eine Sortieranlage und eine Pick-and-Place-Applikation. Die Einsatzfähigkeit dieser Applikationen zur Leistungsbewertung wird an einer Auswahl an Hardwareplattformen demonstriert. Dabei handelt es sich um Hardwareplattformen von Einplatinenrechnern bis zu einer vollwertigen speicherprogrammierbaren Steuerung. Das vorgeschlagene Bewertungsprogramm kombiniert die Bereiche ereignisgesteuerte Systeme mit Industriesteuerungen und soll somit einen Schritt in Richtung gründliche und vielfältige Benchmarks für die Zukunft von industriellen Steuerungen setzen.

With the efforts to introduce software with multivendor-capacity and programming standards, the comparability of industrial control equipment has increased dramatically in the last few years. Unfortunately, the same does not hold for the compatibility of control components. Nevertheless, much time and effort has been spent in order to introduce benchmarks for industrial controllers. With the emerging possibilites of eventbased and distributed systems, the need for a benchmark for such systems also increases. The focus of this work lies on the construction of such a benchmark, or rather, on the considerations necessary to construct a benchmark for industrial eventbased control systems. To this end, general requirements for benchmarks are stated and available benchmarks for industrial applications as well as eventbased systems are evaluated according to these requirements. The insights gained from this process, combined with well documented methods of performance evaluation, are used to define a metric, a method to utilize this metric and how to decide on a proper monitoring device. Several eventbased developement environment are investigated for the realisation of a benchmark. Although the implementation of the proposed benchmark in this work is only demonstrated utilizing one of them, in this case the 4DIAC-IDE, it does not imply that the others are less suited for realising such a benchmark. The construction of the testing environment and some possible pitfalls are discussed in detail. Before the actual testapplications are selected and designed, a new possibility to categorize control applications by means of operations is suggested. The suggested categories are especially chosen for eventbased systems. A combination of testapplications including tests for basic functionblock structures as well as a few representative applications from the field of discrete manufacturing are designed. These include a pick and place application, a weigthsorter and flying shears, as well as the combination of all three in an example plant. The use of the applications for benchmarking is demonstrated on a number of hardware plattforms ranging from a small developement board with a system-on-a-chip (SoC) to a full fledged industrial programmable logic controller (PLC). The proposed benchmark combines the eventdriven paradigm with industrial control applications. It does not aim to bridge a gap, but to serve as a stepping stone towards thorough and diverse benchmarks for the future of industrial control.