Integrations- und Steuerungsframework für die Cyberphysische Industrieautomatisierung ISCI

Abstract

Automatisierung ist fester Teil der Produktion und wichtig für Produktqualität und Produktionszahlen. Ihre technische Basis, die Automatisierungstechnik, ist stärker denn je softwaredefiniert, benötigt aber große Initialaufwände und fachspezifische Kompetenzen, weil prinzipielle Vorteile von Softwaresystemen durch etablierte Architekturen nicht genutzt werden. Heutige Automatisierungssoftware baut auf isolierten statischen Strukturen mit schwachen Schnittstellen und großer Herstellerbindung auf. Neue Paradigmen bleiben unberücksichtigt. Modernisierungsansätze konnten mangels technischer Unterstützung, Komplexität und eingeschränktem Lösungsraum nicht etabliert werden. Der Software der Automatisierung fehlt ein Ansatz, um seine Systeme in moderne Cyberphysische Systeme mit adaptionsfähigen Strukturen und offenen Technologien zu überführen. Die Arbeit begegnet der Problemstellung mit der Entwicklung eines Frameworks für die Software verteilter Automatisierungssysteme gemäß den Paradigmen cyberphysischer Systeme. Als Ausgangsbasis werden das heutige Automatisierungsvorgehen und die verwendete Automatisierungstechnik, automatisierungsspezifische Anforderungen sowie neue Ansätze und Frameworks für verteilte Systeme betrachtet. Darauf aufbauend wird verbunden mit festgelegten Paradigmen eine modellbasierte Struktur aus logischen und technischen Artefakten definiert und in ein Framework zur Konfiguration, Erstellung und zum Betrieb verteilter Automatisierungssysteme integriert. Beachtet wird die Nutzung mit etablierten Mittel- und Hochsprachen, verbreiteten technischen Paradigmen und Architekturen. Das entstandene Integrations- und Steuerungsframework für die Cyberphysische Industrieautomatisierung (ISCI) wird funktional und gegen ein Szenario validiert, sowie erfolgreich bezüglich definierter Anforderungen und anderer Modernisierungsansätze geprüft. ISCI-Automatisierungssysteme sind CPS, modellbasiert, verteilt, ereignisfähig, zustandsorientiert und mit bewertbarem Verhalten, um verteilte Steuerungsanwendungen deterministisch auszuführen. ISCI-Modelle und -Artefakte sind standardbasiert und frei erweiterbar, womit sich ISCI als Ausgangspunkt für die Weiterentwicklung von Automatisierungssoftware, -komponenten und -systemen eignet. Automated processes are an integral part of production and important for product quality and production figures. Automation technologies as their basis are more software-defined than ever but require great initial efforts and specialist expertise because the fundamental advantages of software systems are not used by established automation architectures. Today’s automation software is based on isolated static structures with weak interfaces and strong vendor lock-ins. New paradigms remain unused. Modernization approaches could not be established due to the lack of technical support, complexity, and limited technical possibilities. Automation software lacks an approach to transform its systems into modern Cyberphysical Systems with adaptive structures and open technologies. This work addresses the problem by developing a framework for the software of distributed automation systems according to the paradigms of cyberphysical systems. As a starting point, current automation procedures and technology, automation-specific requirements, and new approaches and frameworks for distributed systems are considered. Based on this, a model-based structure of logical and technical artifacts is defined considering established paradigms and integrated into a framework for the configuration, creation and operation of distributed automation systems. Attention is paid to the use of established middle and high-level languages, common technical paradigms and architectures. The resulting Integration and Control Framework for Cyberphysical Industrial Automation (ISCI) is validated functionally and against a use case and successfully tested against defined requirements and other modernization approaches. ISCI automation systems are CPS, model-based, distributed, event-driven, stateful, and with assessable behavior to deterministically execute distributed control applications. ISCI models and artifacts are standards-based and freely extensible, making ISCI a suitable starting point for further development of automation software, components, and systems.