A Runtime Adaptation Concept to reinforce Versatility in Industrial Automation

Produktbeschreibung

Unter dem Stichwort Wandelbarkeit wird die Fähigkeit verstanden, Industrieanlagen in die Lage zu versetzen, auf ungeplante Änderungen zu reagieren. Daher muss das Automatisierungssystem bereit sein auf Änderungen auf allen Ebenen in der Automatisierungspyramide reagieren zu können. In dieser Dissertation wird ein Konzept zur Laufzeitadaption vorgestellt. Das Konzept adressiert die Prozessleitebene und stellt ein Adaptionssystem vor, das die Softwarekomponenten im Netzwerk nach den verschiedenen Optimierungskriterien stabil verteilt und damit das Automatisierungssystem zur Wandelbarkeit befähigt.

Kurzfassung
Die Prozessleittechnik als ein Teil der Automatisierungstechnik erfährt durch Initiativen wie „Industrie 4.0. In der Prozessleittechnik sind verschiedene Initiativen auf der ganzen Welt (z. B. “ Industrie 4.0 in Deutschland) derzeit in Forschung und Entwicklung richtungsweisend. Die Auflösung der Kommunikationshierarchie in der Automatisierungspyramide wird als zielführend erachtet, um den zunehmenden Anforderungen an Flexibilität in Produktionssystemen gerecht zu werden. Unter dem Stichwort „Wandelbarkeit wird die Fähigkeit verstanden, Industrieanlagen in die Lage zu versetzen, auf ungeplante Änderungen zu reagieren. Ansätze dazu sind Gestaltungsprinzipien wie dezentrale Entscheidungsfindung und vollständige Vernetzung. Um die zuvor genannten Ziele zu erreichen, werden verschiedene neue Funktionalitäten (z. B. Self-X-Funktionalitäten und -Optimierungen) und Informationen (z. B. die Verwaltungsschale) in die derzeitigen Produktionssysteme eingeführt, wodurch eine Dynamik und ein Overhead zu den verfügbaren Ressourcen (Berechnung, Kommunikation, dynamischer Speicher usw.) erzeugt wird. In den konventionellen Systemen werden während der Engineering-Phase Steuerlogik und Funktionalitäten entworfen und dann an die Rechenknoten im Automatisierungsnetzwerk verteilt. In einigen Fallen wird ein optimiertes Verteilungsprofil für die Lasten vor der ersten Bereitstellung berechnet, und dementsprechend wird die Last auf die Netzwerkendpunkte verteilt. Der dynamische Aspekt der Lastschwankungen des neu eingeführten Automatisierungsparadigmas wird jedoch nicht berücksichtigt. Eine Systemanpassung an die unterschiedlichen Lasten ist erforderlich, um die Lasten neu verteilen und den Ressourcenverbrauch im Netzwerk auszugleichen. In der industriellen Automatisierung spielen Sicherheitsaspekte eine entscheidende Rolle. Eine Voraussetzung für diesen Rahmen ist daher, die Stabilität des Produktionssystems nicht zu beeinträchtigen.
Das Ziel dieser Dissertation ist die Schaffung eines Rahmens für die nahtlose Integration einer Implementierungsplattform, die durch die erneute Bereitstellung und Anpassung von Softwarekomponenten den Ressourcenverbrauch zwischen Teilnehmern eines Automatisierungsnetzwerks ausgleicht, die Redundanz der verschiedenen Komponenten herstellt und die Kommunikation verbessert in Bezug auf Servicequalität und sowie die Anpassung des Systems an die schnellen und kontinuierlichen Änderungen.
Gründliche Analysen und Untersuchungen zur Stabilität und zur Dynamik des Produktionssystems werden durchgeführt. Das Ziel dieser Untersuchungen besteht darin, sicherzustellen, dass das eingeführte Framework die Leistung nicht auf unerwünscht Weise beeinflusst, z. B. indem die Lasten im Netzwerk oszillieren oder die Systemleistung durch nicht konvergierende Umverteilungsprozesse der Softwarekomponenten beeinflusst wird. Zusätzlich zu diesen Untersuchungen wird daher ein Lastausgleichsmodell für mehrere Optimierungskriterien erstellt, um das Verhalten oder mehrdimensionale Optimierungen zu untersuchen. Darüber hinaus wird die Analyse der Leistungsverbesserungen durchgeführt, indem die Automatisierungsnetzwerke untersucht und Regressionsmodelle erstellt werden, um die optimalen Parameter für die Lastumschichtung zu berechnen. Darüber hinaus wird eine Prototyp-Implementierung realisiert, um die vorgestellten Konzepte zu verstärken und die durchgeführten Untersuchungen zu validieren. Der Prototyp betrachtet den Anwendungsfall eines Aluminium-Kaltwalzwerks und verwendet zwei unterschiedliche Ansätze, nämlich dezentrale Algorithmen und Ansätze von Agentensystemen, um den Lastausgleich unter zwei verschiedenen Gesichtspunkten durchzuführen, nämlich Ressourcen- und Komponentenperspektiven.
Die vorgestellte Prototypimplementierung verwendet die Laufzeitumgebung ACPLT/RTE und fungiert als Erweiterungsbibliothek, um die Lastenausgleichsfunktionen bereitzustellen. Die Implementierung verwendet den Demonstrator der SMS-Gruppe, der eine Aluminium-Kaltwalzanlage simuliert.

Keywords: Prozessleittechnik, Laufzeitadaption, Redeployment, Lastverteilung, Agentensysteme, Dezentrale Systeme, Industrie 4.0, Wandelbarkeit, Optimierung, Stabilität, Prozessleittechnik, Laufzeitadaption, Redeployment, Lastverteilung, Agentensysteme, Dezentrale Systeme, Industrie 4.0, Wandelbarkeit, Optimierung, Stabilität