Entwicklung einer Methode zur objektorientierten Spezifikation von Steuerungen

Abstract

Der generelle Trend des steigenden Automatisierungsgrades in Produktionssystemen und die wachsende Dezentralisierung der dazu notwendigen Steuerungen haben zu einem starken Anwachsen von Software-basierten Steuerungsfunktionen in Produktionssystemen geführt. Aufgrund der Migration von Technologien aus der Informationstechnik in die Automatisierungstechnik lässt sich darüber hinaus eine weiter ansteigende Heterogenität bezüglich der Programmierung von Automatisierungsgeräten und Kommunikationssystemen beobachten. Um in diesem Umfeld komplexer werdender, Software-basierter Steuerungen kosteneffizient zu entwickeln, bedarf es einer entsprechenden Methode zur Spezifikation von Steuerungen. Ausgangspunkt hierfür sind die bewährten objektorientierten Methoden der Informationstechnik, die auf der Unified Modeling Language (UML) als Beschreibungsmittel basieren. In der Analyse der Spezifikationsmethoden und Beschreibungsmittel, die zurzeit in der Automatisierungstechnik und Softwaretechnik zur Anwendung kommen, wird gezeigt, dass diese nur in Teilen den Methoden-Axiomen, die als Anforderung verstanden werden, genügen. Weiterhin wird herausgestellt, dass sich die wichtigsten dort aufgeführten Beschreibungsmittel als Diagrammtypen in der UML wieder finden und somit eine objektorientierte Methode basierend auf der UML am besten geeignet ist, die gestellte Aufgabe zu erfüllen. Die im Stand der Wissenschaft vorgestellten Modelle aus der Automatisierungstechnik dienen im Kern zur Darstellung der System-Dekomposition von Steuerungen als mentale Modelle verstanden (Begriffsmodelle). Es wird gezeigt, dass diese Modelle mit ihren spezifischen Eigenschaften übertragen auf die UML diese als Beschreibungsmittel für Steuerungen notwendig ergänzen. Darüber hinaus wird dargestellt, dass durch die Nutzung der Erweiterungsmechanismen der UML für diese Abbildung die Anwendbarkeit, d.h. die Nutzung von Standard-CASE-Tools, erhalten bleibt. Konzeption und Entwicklung der so genannten ODEMA-Methode führen auf Basis des zu einem iterativ-inkrementellen Vorgehensmodell erweiterten Begriffs der Spezifikationsmethode und der um die entsprechenden Begriffsmodelle und Modellvorstellungen erweiterten UML zu einer objektorientierten Methode zur Spezifikation von Steuerungen. In diesem Kontext wird ein so genanntes UML-Profil für ein Plattform-unabhängiges Beschreibungsmittel entwickelt, das den Einsatz der Methode in einem Standard-CASE-Tool möglich macht. Des Weiteren werden in diesem Zusammenhang entsprechende Verfahren zur Prüfung der syntaktischen Konsistenz und semantischen Widerspruchsfreiheit eingeführt sowie deren Anwendung durch das Vorgehensmodell definiert. Die abschließend vorgenommene Anwendung und Validation der Methode anhand der Referenzfallstudie Produktionstechnik weist die Anwendbarkeit der entwickelten Methode nach.

The still ongoing trend of increasing the level of automation within manufacturing systems and the also growing ratio of decentralized control systems leads to a stronger impact of software-based functions in these control systems. Looking from the programming point of view, it can be observed, that for developing these control applications within manufacturing systems heterogeneity is the main issue which has to be overcome. Migration of further technologies coming from the area of information technology (IT) enforces this kind of heterogeneity. Concerning these obstacles an integrated method for developing cost efficiently these control systems is needed. For a very similar purpose object-oriented methods based on the Unified Modelling language (UML) were developed for different domains within the IT. These methods were chosen as a starting point for the new method (Object-oriented Method for Developing Technical Multi-Agent-Systems, ODEMA) should be developed within the present PhD thesis. As a first step, present techniques for specifying and programming control systems were analysed, also as the already mentioned object-oriented methods for developing embedded realtime-systems were taken under consideration. A defined set of features, the so called method-axioms, was applied throughout analysis work as requirements which served as a proofing guideline for different description languages and methods. As a result it was shown, that the description languages for control systems can be seen as graphical programming languages (e.g. IEC 61131). Therefore the architectural aspects of control systems (system-decomposition and structure) could not be described sufficiently. It was also derived that description languages which describe causal and timed behaviour of control systems can be found also as diagrams within UML, which therefore can be understood as a toolbox for the approach of this PhD thesis. As a second step basic models which describe architectural aspects of control systems, were analysed. These basic models cannot be used as description languages, but they can be seen as mental models used for illustration of basic principles. Therefore they must be integrated as a part of the UML-based description language, which can be accomplished by extension mechanisms the UML is offering. Following this rough approach UML CASE-Tools can also be applied by ODEMA. Based of the understanding, that a method consist of a procedure and description language, conception and developing of the ODEMA-method was distinguished in two different lanes. At first, a procedure model which describes steps, products and participating roles was derived and assembled to a iterative, incremental, use case driven and architecture centric procedure model. Integrating the basic models, mainly the models of production-agent, functionblock and control-component, into the description language of ODEMA was the second lane resulting in a platform-independent UML-Profil. Procedures for proofing consistency of syntax and semantics of a particular specification cover both lanes and are also part of ODEMA. Finally, the method was validated by applying a case study which specifies holonic controlled material flow. As first result of validation it can be pointed out, that UML lacks instantiation of UML-Functionblocks modelled by UML-subsystems and a formalism for describing operations on data and objects (action language). Also a set of basic and platform-independent data types and physical units is missed. These open issues concerning to the UML-Standard would probably be solved by the next releases of the UML. Moving the UML forward to a formal description language is a further step requested by application domains faced by safety requirements of software-based systems. Future UML releases would not cover this issue as far this can be foreseen concerning the actual UML roadmap. Therefore additional techniques were developed so far. The so called reference model based on transformation and transition systems is an example for this purpose. As conclusion, this PhD thesis points the way to an object-oriented method for specification of control systems within manufacturing systems as an important step towards a common method overcoming heterogeneity.