ΔΙΑΔΙΚΑΣΙΑ ΑΝΑΠΤΥΞΗΣ ΒΙΟΜΗΧΑΝΙΚΩΝ ΕΦΑΡΜΟΓΩΝ ΕΛΕΓΧΟΥ KAI ΕΡΓΑΛΕΙΟ ΥΠΟΣΤΗΡΙΞΗΣ ΤΗΣ

Transcript

1 ΔΙΑΔΙΚΑΣΙΑ ΑΝΑΠΤΥΞΗΣ ΒΙΟΜΗΧΑΝΙΚΩΝ ΕΦΑΡΜΟΓΩΝ ΕΛΕΓΧΟΥ KAI ΕΡΓΑΛΕΙΟ ΥΠΟΣΤΗΡΙΞΗΣ ΤΗΣ ΔΙΔΑΚΤΟΡΙΚΗ ΔΙΑΤΡΙΒΗ ΧΡΗΣΤΟΥ Σ. ΤΡΑΝΩΡΗ ΔΙΠΛΩΜΑΤΟΥΧΟΥ ΗΛΕΚΤΡΟΛΟΓΟΥ ΜΗΧΑΝΙΚΟΥ ΚΑΙ ΤΕΧΝΟΛΟΓΙΑΣ ΥΠΟΛΟΓΙΣΤΩΝ ΠΑΝΕΠΙΣΤΗΜΙΟ ΠΑΤΡΩΝ ΤΜΗΜΑ ΗΛΕΚΤΡΟΛΟΓΩΝ ΜΗΧΑΝΙΚΩΝ ΚΑΙ ΤΕΧΝΟΛΟΓΙΑΣ ΥΠΟΛΟΓΙΣΤΩΝ ΑΡΙΘΜΟΣ ΔΙΑΤΡΙΒΗΣ: 178 ΠΑΤΡΑ 2006

2 Χρήστος Τρανώρης Διδακτορική Διατριβή 1-2

3 Περίληψη Η αναβάθμιση της διαδικασίας ανάπτυξης εφαρμογών λογισμικού που αφορούν τον έλεγχο βιομηχανικών συστημάτων, είναι ένα θέμα που απασχολεί για δεκαετίες του μηχανικούς ελέγχου αλλά και τους μηχανικούς λογισμικού. Κατά την ανάπτυξη των βιομηχανικών εφαρμογών, οι μηχανικοί καλούνται να ικανοποιήσουν πληθώρα απαιτήσεων μεταξύ των οποίων: συμβατότητα με το υπάρχον εγκατεστημένο υλικό, συμβατότητα με τις ήδη εγκατεστημένες παλαιότερες εφαρμογές και επαναχρησιμοποίηση τμημάτων λογισμικού. Για τους παραπάνω λόγους, αναζητούνται συνεχώς λύσεις οι οποίες: θα προσφέρουν μια περισσότερο φιλική προς το μηχανικό ελέγχου διαδικασία ανάπτυξης η οποία θα υποστηρίζει επεκτασιμότητα των εφαρμογών, θα διευκολύνει την επαναχρησιμοποίηση τμημάτων του λογισμικού, θα ενισχύει την συντήρηση του λογισμικού και θα είναι ανεξάρτητη από το υλικό εκτέλεσης των βιομηχανικών συστημάτων. Η International Electrotechnical Commission (IEC) για να αντιμετωπίσει τις απαιτήσεις των σύγχρονων συστημάτων δημιούργησε το πρότυπο IEC61499 το οποίο έρχεται να επεκτείνει το Function Block του IEC Το IEC61499, καθορίζει μια μεθοδολογία σχεδιασμού, όπου το Function Block είναι το βασικό δομικό συστατικό για την ανάπτυξη διαλειτουργικών κατανεμημένων εφαρμογών αυτοματισμού και ελέγχου. Οι εφαρμογές ελέγχου μπορούν να υλοποιηθούν από Function Block δίκτυα διασυνδέοντας τις εισόδους και εξόδους τους. Το IEC61499 προτείνει επίσης τον σχεδιασμό εργαλείων λογισμικού για την υποστήριξη (εν μέρει αυτοματοποίηση) της διαδικασίας ανάπτυξης. Στην παρούσα διατριβή, παρουσιάζεται μια νέα προσέγγιση για τον σχεδιασμό κατανεμημένων βιομηχανικών εφαρμογών και πιο συγκεκριμένα Συστημάτων Μέτρησης και Ελέγχου Βιομηχανικών Διεργασιών 1 (IPMCSs) όπως τα ορίζει το πρότυπο IEC. Η προσέγγιση εστιάζει στον ορισμό μιας μεθοδολογίας για την φάση της ανάλυσης και κύρια την τεκμηρίωση των απαιτήσεων και τον μετέπειτα μετασχηματισμό του μοντέλου ανάλυσης σε μοντέλο σχεδιασμού. Η προτεινόμενη προσέγγιση βασίζεται σε κατάλληλα οριζόμενες έννοιες και τεχνικές και αξιοποιεί τελευταίες τάσεις από το χώρο της Μηχανιστικής Λογισμικού (Software Engineering), όπως είναι η έννοια της μετα-μοντελοποίησης (Meta-modeling) όπως αυτή ορίζεται στα πλαίσια της βασισμένης σε μοντέλα ανάπτυξης (Model Driven Development) και της Unified Modeling Language (UML) και των επεκτάσεων της (UML Profiles) και εφαρμογή αυτών στο σχεδιασμό βιομηχανικών εφαρμογών. Για την ομαλή μετάβαση από τις καταγεγραμμένες απαιτήσεις σε μοντέλα σχεδιασμού τεκμηριώθηκε και παρουσιάζεται ένα σύνολο κανόνων μετασχηματισμού το οποίο περιγράφηκε αυστηρά με χρήση της Object Constraint Language. Για να αξιοποιηθεί η προτεινόμενη προσέγγιση από μηχανικούς ελέγχου, σχεδιάστηκε και υλοποιήθηκε ένα εργαλείο λογισμικού συμβατό με το πρότυπο IEC Το εργαλείο που έχει το όνομα CORFU ESS έρχεται να υποστηρίξει: α) την φάση της ανάλυσης, β) τον μετασχηματισμό του μοντέλου ανάλυσης σε μοντέλο σχεδιασμού, γ) τον σχεδιασμό εφαρμογών με Function Blocks όπως ορίζει το IEC61499, δ) την κατανομή των Function Block στις συσκευές των βιομηχανικών δικτύων και ε) τον έλεγχο των τελικών Function Block δικτύων. Η προσέγγιση εφαρμόσθηκε σε μελέτες περίπτωσης για να επιδείξει την εφαρμοσιμότητα της προτεινόμενης διαδικασίας, την αποτελεσματικότητα του εργαλείου που αναπτύχθηκε και την δυνατότητα της διαδικασίας και του εργαλείου να καλύψουν απαιτήσεις μικρής ή μεγάλης κλίμακας εφαρμογών. 1 Ο ακριβής όρος που χρησιμοποιεί το πρότυπο IEC για τα συστήματα αυτά είναι Industrial Process Measurement and Control Systems (IPMCSs) Χρήστος Τρανώρης Διδακτορική Διατριβή 1-3

4 Abstract Following technology s trends, engineers in the industrial and control sector continuously face problems on developing distributed industrial control applications that should meet various functional, interface, operational and performance requirements by conforming on engineering concerns such as maintainability and reliability. During the development of industrial applications, engineers deal with aspects on device compatibility, software compatibility and software reusability. To deal with these challenges, control engineers are underway in applying Software Engineering practices in the development process of distributed industrial control applications that will enhance reusability, maintainability and will be independent of the underlying platform. A proof of this motion is the standard of the International Electrotechnical Commission (IEC) which is affected from practices and current trends in Software Engineering. The IEC standard extends the FB concept of IEC1131 to share many of the well defined and already widely acknowledged benefits of concepts introduced by object technology. This standard describes also a methodology that defines the FB as the main building block and specifies the way that FBs can be used to define robust, re-usable software components that constitute complex IPMCSs. Complete control applications, can be built from networks of FBs that are formed by interconnecting their inputs and outputs. IEC proposes also that, Engineering Support Systems (ESSs) are highly required to support the whole development process. This dissertation presents a new approach for the design of distributed industrial control applications or Industrial Process Measurement and Control Systems (IPMCSs) as defined in the IEC The approach defines a methodology for the analysis phase, based on object-oriented concepts, and mainly focuses in the requirements specification and the transformation from the analysis model to the design model. The approach is based on properly defined concepts and adopts modern techniques and latest trends from Software Engineering such as the concept of metamodeling, Model Driven Development (MDL), the Unified Modeling language (UML), UML extensions as defined in UML profiles and applies them to the design of distributed industrial control applications. For the transition from requirements specification to design models a set of transformation rules is presented, formally specified by means of the Object Constraint Language, that are used to later to automate the transition process. Towards the automation and the exploitation from control engineers of the proposed approach, a prototype ESS that supports the development process and is compatible with IEC61499 was implemented. The ESS named CORFU ESS comes to support all the phases of the proposed process: the object-oriented analysis, the automated transformation process from the analysis to the design model, the design with Function Blocks as proposed from the IEC standard, the verification of Function Block diagrams and the distribution of Function Blocks to industrial field devices. In order to verify the development process, several case studies have been designed and are presented in the context of this dissertation in order to prove: the applicability of the proposed approach, the effectiveness of the implemented prototype ESS and the ability of the approach to cover small and large scale applications. Χρήστος Τρανώρης Διδακτορική Διατριβή 1-4

5 Πρόλογος Η παρούσα διατριβή εκπονήθηκε στο Εργαστήριο Συστημάτων Υπολογιστών του τμήματος Ηλεκτρολόγων Μηχανικών και Τεχνολογίας Υπολογιστών του Πανεπιστημίου Πατρών. Το αντικείμενο που πραγματεύεται σχετίζεται με την ανάπτυξη βιομηχανικών εφαρμογών ελέγχου και προτείνει μια νέα προσέγγιση για την διαδικασία ανάπτυξης κατανεμημένων βιομηχανικών εφαρμογών. Παράλληλα πραγματοποιήθηκε η ανάλυση, ο σχεδιασμός και η υλοποίηση εργαλείου υποστήριξης της διαδικασίας ανάπτυξης. Η παρούσα διατριβή αποτελεί μέρος μιας ευρύτερης ερευνητικής προσπάθειας της ομάδας Μηχανιστικής Λογισμικού στο πεδίο της ανάπτυξης βιομηχανικών εφαρμογών ελέγχου. Στο σημείο αυτό θα ήθελα να ευχαριστήσω όλους όσους με βοήθησαν με οποιονδήποτε τρόπο σε ολόκληρη τη διάρκεια εκπόνησης της διατριβής. Ιδιαίτερα ευχαριστώ: Τον επιβλέποντα αναπ. καθηγητή κ. Κλεάνθη Θραμπουλίδη για την επιλογή του θέματος, την διαρκή καθοδήγηση, την πολύτιμη συμπαράσταση και τις σημαντικές υποδείξεις σε ολόκληρη τη διάρκεια εκπόνησης της διατριβής. Τα μέλη της τριμελούς συμβουλευτικής επιτροπής καθηγητές κ.κ. Γ. Παπαδόπουλο και Σ. Κουμπιά για τις σημαντικές υποδείξεις τους. Τα μέλη της ομάδας από τη συμμετοχή μου στο έργο ΠΕΝΕΔ 99 ΕΔ 469 ΑΡΤΙΟ της ΓΓΕΤ, Χ. Κουλαμά, Λ Μάνδαλο, Σ. Ασλάνη για την συνεργασία τους σε θέματα βιομηχανικών δικτύων πεδίου, στα πρώτα χρόνια εκπόνησης της διατριβής. Τον Αν. Καθηγητή κ.κ. Σ. Μάνεση για τις υποδείξεις του στο πρόβλημα του Steam Boiler. Τον μηχανικό Παπαδόπουλο Χαρίσιο για την συνεργασία του στο θέμα της τηλεθέρμανσης του ΑΗΣ Αγ. Δημητρίου, Κοζάνης. Την οικογένεια μου για την πολύπλευρη συμπαράστασή της όλα αυτά τα χρόνια εκπόνησης της διατριβής. Χρήστος Τρανώρης Πάτρα, Δεκέμβριος 2005 Χρήστος Τρανώρης Διδακτορική Διατριβή 1-5

6 Χρήστος Τρανώρης Διδακτορική Διατριβή 1-6

7 Στη Γιούλη... Χρήστος Τρανώρης Διδακτορική Διατριβή 1-7

8 Χρήστος Τρανώρης Διδακτορική Διατριβή 1-8

9 ΠΕΡΙΕΧΟΜΕΝΑ 1 ΕΙΣΑΓΩΓΗ ΑΝΤΙΚΕΙΜΕΝΟ ΤΗΣ ΔΙΑΤΡΙΒΗΣ ΑΠΑΙΤΗΣΕΙΣ ΤΟΥ ΠΡΟΒΛΗΜΑΤΟΣ ΣΥΜΒΟΛΗ ΤΗΣ ΔΙΑΤΡΙΒΗΣ ΔΙΑΡΘΡΩΣΗ ΤΗΣ ΔΙΑΤΡΙΒΗΣ ΕΠΕΞΗΓΗΣΗ ΣΥΝΤΜΗΣΕΩΝ ΥΠΑΡΧΟΥΣΑ ΚΑΤΑΣΤΑΣΗ ΣΤΟ ΣΧΕΔΙΑΣΜΟ IPMCSS ΓΕΝΙΚΑ ΠΡΟΣΕΓΓΙΣΕΙΣ ΣΤΗΝ ΑΝΑΠΤΥΞΗ ΒΙΟΜΗΧΑΝΙΚΩΝ ΣΥΣΤΗΜΑΤΩΝ ΣΧΕΔΙΑΣΜΟΣ ΜΕ ΤΟ ΠΡΟΤΥΠΟ IEC HOLONIC MANUFACTURING SYSTEMS ΜΗΧΑΝΟΤΡΟΝΙΚΗ ΣΧΕΔΙΑΣΜΟΣ ΚΑΤΑΝΕΜΗΜΕΝΗΣ ΕΦΑΡΜΟΓΗΣ ΜΕ ΒΑΣΗ ΤΟ IEC LAYERED MODEL VIEW CONTROLLER ΕΡΓΑΛΕΙΑ ΥΠΟΣΤΗΡΙΞΗΣ ΔΙΑΔΙΚΑΣΙΑΣ ΑΝΑΠΤΥΞΗΣ ΠΡΟΤΕΙΝΟΜΕΝΕΣ ΑΡΧΙΤΕΚΤΟΝΙΚΕΣ IDA OPC OΟONEIDA Η ΠΡΟΣΕΓΓΙΣΗ TORERO Η ΑΝΤΙΚΕΙΜΕΝΟΣΤΡΕΦΗΣ ΠΡΟΣΕΓΓΙΣΗ ΣΤΟ ΣΧΕΔΙΑΣΜΟ ΒΙΟΜΗΧΑΝΙΚΩΝ ΕΦΑΡΜΟΓΩΝ ΤΕΧΝΙΚΟ ΥΠΟΒΑΘΡΟ ΤΗΣ ΔΙΑΤΡΙΒΗΣ ΤΟ ΠΡΟΤΥΠΟ ΓΕΝΙΚΑ ΤΟ ΜΟΝΤΕΛΟ ΣΥΣΤΗΜΑΤΟΣ ΤΟ ΜΟΝΤΕΛΟ ΣΥΣΚΕΥΗΣ ΤΟ ΜΟΝΤΕΛΟ ΠΟΡΩΝ ΤΟ ΜΟΝΤΕΛΟ ΕΦΑΡΜΟΓΗΣ ΤΟ ΜΟΝΤΕΛΟ ΤΟΥ FUNCTION BLOCK ΤΟ ΜΟΝΤΕΛΟ ΕΚΤΕΛΕΣΗΣ ΔΗΛΩΣΗ ΑΛΓΟΡΙΘΜΩΝ ΑΚΟΛΟΥΘΙΑ ΕΚΤΕΛΕΣΗΣ ΑΛΓΟΡΙΘΜΩΝ UML ΣΤΌΧΟΙ ΤΗΣ UML USE CASES ΔΙΑΓΡΑΜΜΑΤΑ ΚΛΑΣΣΕΩΝ (CLASS DIAGRAMS) ΣΤΕΡΕΌΤΥΠΑ ΔΙΑΓΡΑΜΜΑΤΑ ΑΛΛΗΛΕΠΙΔΡΑΣΗΣ OCL ΓΙΑΤΊ ΓΕΝΝΉΘΗΚΕ Η OCL; ΠΟΤΕ ΓΙΝΕΤΑΙ ΧΡΗΣΗ ΤΗΣ OCL ΚΥΡΙΑ ΧΑΡΑΚΤΗΡΙΣΤΙΚΑ ΣΥΝΔΕΣΗ ΜΕ ΤΟ ΜΕΤΑ-ΜΟΝΤΕΛΟ ΤΗΣ UML INVARIANTS 3-48 Χρήστος Τρανώρης Διδακτορική Διατριβή 1-9

10 3.3.6 PRE- ΚΑΙ POST- ΣΥΝΘΉΚΕΣ (CONDITIONS) ΒΑΣΙΚΟΙ ΤΥΠΟΙ ΑΝΤΙΚΕΙΜΕΝΑ ΚΑΙ ΙΔΙΟΤΗΤΕΣ ΛΕΙΤΟΥΡΓΙΕΣ ΣΕ ΣΥΛΛΟΓΕΣ Η ΠΡΟΤΕΙΝΟΜΕΝΗ ΔΙΑΔΙΚΑΣΙΑ ΑΝΑΠΤΥΞΗΣ ΓΕΝΙΚΑ Η ΑΡΧΙΤΕΚΤΟΝΙΚΗ ΤΩΝ 4 ΕΠΙΠΕΔΩΝ ΤΟ ΕΠΙΠΕΔΟ ΒΙΟΜΗΧΑΝΙΚΗΣ ΔΙΕΡΓΑΣΙΑΣ ΤΟ ΕΠΙΠΕΔΟ ΣΥΣΤΗΜΑΤΟΣ ΤΟ ΕΠΙΠΕΔΟ ΕΦΑΡΜΟΓΗΣ ΤΟ ΕΠΙΠΕΔΟ ΑΛΛΗΛΕΠΙΔΡΑΣΗΣ ΑΝΘΡΩΠΟΥ ΜΗΧΑΝΗΣ ΕΠΕΚΤΑΣΗ ΤΗΣ ΑΡΧΙΤΕΚΤΟΝΙΚΗΣ ΤΩΝ 4 ΕΠΙΠΕΔΩΝ ΓΕΝΙΚΑ ΤΟ ΕΠΙΠΕΔΟ ΒΙΟΜΗΧΑΝΙΚΗΣ ΔΙΕΡΓΑΣΙΑΣ ΤΟ ΕΠΙΠΕΔΟ ΣΥΣΤΗΜΑΤΟΣ ΤΟ ΕΠΙΠΕΔΟ ΕΦΑΡΜΟΓΗΣ ΤΟ ΕΠΙΠΕΔΟ ΑΛΛΗΛΕΠΙΔΡΑΣΗΣ ΑΝΘΡΩΠΟΥ ΜΗΧΑΝΗΣ ΧΡΗΣΗ ΤΗΣ ΑΡΧΙΤΕΚΤΟΝΙΚΗΣ ΤΩΝ 4 ΕΠΙΠΕΔΩΝ Η ΔΙΑΔΙΚΑΣΙΑ ΑΝΑΠΤΥΞΗΣ SOFTWARE PROCESS ENGINEERING METAMODEL ΤΟ ΔΙΑΓΡΑΜΜΑ ΔΡΑΣΤΗΡΙΟΤΗΤΩΝ ΤΗΣ ΔΙΑΔΙΚΑΣΙΑΣ ΑΝΑΠΤΥΞΗΣ ΜΕΤΑΣΧΗΜΑΤΙΖΟΝΤΑΣ ΤΑ UML ΜΟΝΤΕΛΑ ΣΕ FUNCTION BLOCK ΜΟΝΤΕΛΑ ΟΡΙΖΟΝΤΑΣ ΤΑ ΜΕΤΑ-ΜΟΝΤΕΛΑ ΤΟ ΣΒΔΜΕ-UML ΜΕΤΑ-ΜΟΝΤΕΛΟ ΤΟ ΣΒΔΜΕ-FB ΜΕΤΑ-ΜΟΝΤΕΛΟ Ο ΜΟΝΤΕΛΟ-ΣΕ-ΜΟΝΤΕΛΟ ΜΕΤΑΣΧΗΜΑΤΙΣΜΟΣ ΟΙ ΚΑΝΟΝΕΣ ΜΕΤΑΣΧΗΜΑΤΙΣΜOΥ ΤΟ ΕΡΓΑΛΕΙΟ ΥΠΟΣΤΗΡΙΞΗΣ ΤΗΣ ΔΙΑΔΙΚΑΣΙΑΣ ΑΝΑΠΤΥΞΗΣ ΓΕΝΙΚΑ Η ΑΡΧΙΤΕΚΤΟΝΙΚΗ ΤΟΥ CORFU ESS ΣΧΕΔΙΑΣΜΟΣ ΤΟΥ CORFU ESS ΧΑΡΑΚΤΗΡΙΣΤΙΚΑ ΤΟΥ CORFU FBDK Η ΒΙΒΛΙΟΘΗΚΗ ΤΩΝ FB ΤΥΠΩΝ ΔΙΑΧΕΙΡΙΣΤΗΣ FB ΤΥΠΩΝ ΔΙΑΧΕΙΡΙΣΗ ΥΠΑΡΧΟΝΤΩΝ FB ΤΥΠΩΝ ΔΙΑΧΕΙΡΙΣΗ ΤΩΝ ΧΑΡΑΚΤΗΡΙΣΤΙΚΩΝ ΔΙΑΣΥΝΔΕΣΗΣ ΤΩΝ FB ΔΙΑΧΕΙΡΙΣΗ ΤΟΥ FB ΤΥΠΟΥ ΜΕΣΩ ΚΩΔΙΚΑ XML ΔΙΑΧΕΙΡΙΣΗ ΤΟΥ ECC ΔΙΑΓΡΑΜΜΑΤΟΣ ΕΝΟΣ FB ΤΥΠΟΥ ΔΙΑΧΕΙΡΙΣΗ ΣΥΝΘΕΤΩΝ FB (COMPOSITE FB) ΔΙΑΧΕΙΡΙΣΗ ΤΩΝ ΥΠΗΡΕΣΙΩΝ ΕΝΟΣ FB ΤΥΠΟΥ ΔΙΑΧΕΙΡΙΣΤΗΣ FB ΔΙΑΓΡΑΜΜΑΤΩΝ ΔΙΑΧΕΙΡΙΣΤΗΣ ΕΠΙΠΕΔΟΥ ΣΥΣΤΗΜΑΤΟΣ IPT IEC ΣΥΜΒΑΤΗ ΣΥΣΚΕΥΗ ΣΥΣΚΕΥΕΣ ΜΗ IEC ΣΥΜΒΑΤΕΣ ΕΣΩΤΕΡΙΚΟ ΔΙΑΓΡΑΜΜΑ ΣΥΣΚΕΥΗΣ ΚΑΤΑΝΟΜΗ ΤΩΝ FUNCTION BLOCK ΜΕΤΑΤΡΟΠΗ UML ΣΕ FB ΔΙΑΓΡΑΜΜΑΤΑ: Ο ΔΙΑΧΕΙΡΙΣΤΗΣ ΔΙΑΔΙΚΑΣΙΑΣ ΜΕΤΑΤΡΟΠΗΣ 5-77 Χρήστος Τρανώρης Διδακτορική Διατριβή 1-10

11 ΓΕΝΙΚΑ ΕΠΙΚΟΙΝΩΝΙΑ ΜΕ ΤΟ CASE ΕΡΓΑΛΕΙΟ ΕΚΤΕΛΕΣΗ FUNCTION BLOCK ΔΙΑΓΡΑΜΜΑΤΩΝ ΔΟΜΗ ΑΡΧΕΙΩΝ CORFU FBDK ΤΟ ΠΡΩΤΟΚΟΛΛΟ ΕΠΙΚΟΙΝΩΝΙΑΣ ΤΟΥ CORFU ESS ΜΕ ΤΗΝ ΔΙΑΛΕΙΤΟΥΡΓΙΚΗ ΜΟΝΑΔΑ (CME API) ΚΕΦΑΛΑΙΟ ΜΕΛΕΤΕΣ ΠΕΡΙΠΤΩΣΗΣ ΓΕΝΙΚΑ ΤΟ ΠΡΟΒΛΗΜΑ ΤΟΥ ΒΡΑΣΤΗΡΑ ΑΤΜΟΥ ΓΕΝΙΚΑ ΣΕΝΑΡΙΑ ΧΡΗΣΗΣ ΔΙΑΓΡΑΜΜΑΤΑ ΣΕΝΑΡΙΩΝ ΧΡΗΣΗΣ ΔΙΑΓΡΑΜΜΑΤΑ ΑΛΛΗΛΕΠΙΔΡΑΣΕΩΝ ΔΙΑΓΡΑΜΜΑΤΑ ΚΛΑΣΣΕΩΝ ΕΦΑΡΜΟΓΗ ΤΗΣ ΜΕΘΟΔΟΛΟΓΙΑΣ ΔΙΑΓΡΑΜΜΑΤΑ FUNCTION BLOCK ΤΟ ΠΑΡΑΔΕΙΓΜΑ ΤΡΟΦΟΔΟΣΙΑΣ ΚΑΙ ΜΕΤΑΦΟΡΑΣ ΓΕΝΙΚΑ ΔΗΜΙΟΥΡΓΙΑ ΜΙΑΣ ΝΕΑΣ ΕΦΑΡΜΟΓΗΣ ΦΑΣΗ ΑΝΑΛΥΣΗΣ - ΟΡΙΣΜΟΣ ΤΩΝ USE-CASES ΦΑΣΗ ΑΝΑΛΥΣΗΣ - ΔΗΜΙΟΥΡΓΙΑ ΔΙΑΓΡΑΜΜΑΤΩΝ ΑΚΟΛΟΥΘΙΩΝ (SEQUENCE DIAGRAMS) ΓΙΑ ΤΑ USE CASES ΦΑΣΗ ΣΧΕΔΙΑΣΗΣ ΣΧΕΔΙΑΖΟΝΤΑΣ ΤΟ ΕΠΙΠΕΔΟ ΣΥΣΤΗΜΑΤΟΣ ΚΑΤΑΝΟΜΗ ΤΗΣ ΕΦΑΡΜΟΓΗΣ ΣΥΣΤΗΜΑ ΤΗΛΕΘΕΡΜΑΝΣΗΣ ΜΟΝΑΔΑΣ 5 ΑΗΣ ΑΓ. ΔΗΜΗΤΡΙΟΥ ΚΟΖΑΝΗΣ ΕΙΣΑΓΩΓΗ ΠΕΡΙΓΡΑΦΗ ΤΟΥ ΣΥΣΤΗΜΑΤΟΣ ΠΕΡΙΓΡΑΦΗ ΤΩΝ ΣΕΝΑΡΙΩΝ ΧΡΗΣΗΣ ΔΙΑΓΡΑΜΜΑΤΑ ΚΛΑΣΣΕΩΝ ΚΑΙ ΑΛΛΗΛΕΠΙΔΡΑΣΗΣ ΔΙΑΓΡΑΜΜΑ ΚΛΑΣΣΕΩΝ ΔΙΑΓΡΑΜΜΑΤΑ ΑΛΛΗΛΕΠΙΔΡΑΣΗΣ ΔΙΑΓΡΑΜΜΑΤΑ FUNCTION BLOCK SISTEP ACTUATORS SENSORS USE CASES ΔΙΑΓΡΑΜΜΑΤΑ ΚΛΑΣΣΕΩΝ ΚΑΙ ΑΛΛΗΛΕΠΙΔΡΑΣΗΣ ΔΙΑΓΡΑΜΜΑ ΚΛΑΣΣΕΩΝ ΔΙΑΓΡΑΜΜΑΤΑ ΑΛΛΗΛΕΠΙΔΡΑΣΗΣ FUNCTION BLOCK ΔΙΑΓΡΑΜΜΑΤΑ 77 7 ΣΥΜΠΕΡΑΣΜΑΤΑ ΣΥΜΠΕΡΑΣΜΑΤΑ ΠΡΟΤΑΣΕΙΣ ΓΙΑ ΜΕΛΛΟΝΤΙΚΗ ΕΡΕΥΝΑ 77 8 ΑΝΑΦΟΡΕΣ ΔΗΜΟΣΙΕΥΣΕΙΣ ΣΤΑ ΠΛΑΙΣΙΑ ΤΗΣ ΔΙΑΤΡΙΒΗΣ ΑΝΑΦΟΡΕΣ ΤΡΙΤΩΝ ΣΕ ΔΗΜΟΣΙΕΥΣΕΙΣ ΤΟΥ ΣΥΓΓΡΑΦΕΑ 77 Χρήστος Τρανώρης Διδακτορική Διατριβή 1-11

12 9 ΠΑΡΑΡΤΗΜΑΤΑ ΠΑΡΑΔΕΙΓΜΑ ΠΑΡΑΜΕΤΡΟΠΟΙΗΣΗΣ ΣΥΣΚΕΥΩΝ ΣΕ XML ΚΑΤΑΛΟΓΟΣ ΣΧΗΜΑΤΩΝ 77 Χρήστος Τρανώρης Διδακτορική Διατριβή 1-12

13 1 Εισαγωγή 1.1 Αντικείμενο της διατριβής Στην παρούσα διατριβή, παρουσιάζεται μια νέα προσέγγιση που αφορά την ανάπτυξη κατανεμημένων βιομηχανικών εφαρμογών ή Συστημάτων Βιομηχανικής Διεργασίας, Μέτρησης και Ελέγχου (ΣΒΔΜΕ) 2 όπως τα ονομάζει το πρότυπο IEC61499 της International Electrotechnical Commission. Η προτεινόμενη προσέγγιση εστιάζει στον ορισμό μιας μεθοδολογίας για την φάση της ανάλυσης και κύρια την τεκμηρίωση των απαιτήσεων και τον μετέπειτα μετασχηματισμό του μοντέλου ανάλυσης σε μοντέλο σχεδιασμού. Η προτεινόμενη προσέγγιση βασίζεται σε κατάλληλα οριζόμενες έννοιες και τεχνικές και αξιοποιεί τελευταίες τάσεις από το χώρο της Μηχανιστικής Λογισμικού (Software Engineering), όπως είναι η έννοια της μετα-μοντελοποίησης (Meta-modeling) όπως αυτή ορίζεται στα πλαίσια της βασισμένης σε μοντέλα ανάπτυξης (Model Driven Development) και της Unified Modeling Language (UML) και των επεκτάσεων της (UML Profiles) και εφαρμογή αυτών στο σχεδιασμό βιομηχανικών εφαρμογών. Για την ομαλή μετάβαση από τις καταγεγραμμένες απαιτήσεις σε μοντέλα σχεδιασμού τεκμηριώθηκε και παρουσιάζεται ένα σύνολο κανόνων μετασχηματισμού το οποίο περιγράφηκε με χρήση της Object Constraint Language 1.2 Απαιτήσεις του προβλήματος Η παρούσα διατριβή προτείνει μια νέα προσέγγιση στην επίλυση του προβλήματος της ανάπτυξης ΣΒΔΜΕ με γνώμονα τις ακόλουθες απαιτήσεις : - Η προτεινόμενη προσέγγιση θα πρέπει να βασίζεται σε μεθόδους γνωστές και ευρέως αποδεκτές, να τεκμηριώνεται, να αυτοματοποιείται και να είναι ανεξάρτητη από το υλικό - Η προσέγγιση θα πρέπει να ορίζει μια διαδικασία ανάπτυξης η οποία να είναι όσο το δυνατό ευέλικτη και διάφανη προς τον μηχανικό ελέγχου - Η προσέγγιση πρέπει να υποστηρίζεται από εργαλείο λογισμικού που θα προσφέρει: ανάλυση της εφαρμογής με αντικειμενοστρεφείς τεχνικές, σχεδιασμό της εφαρμογής βασισμένο στο IEC 61499, παραμετροποίηση, υποστήριξη σε εκτελέσιμο χρόνο, απόκρυψη της πολυπλοκότητας που σχετίζεται με το υπό κατασκευή σύστημα και εστίαση σε αφηρημένες λειτουργικές υπομονάδες - Η διαδικασία ανάπτυξης θα πρέπει να επαληθευτεί σε πραγματικά προβλήματα ελέγχου 1.3 Συμβολή της διατριβής Η προσέγγιση που προτείνεται βασίζεται σε μια αρχιτεκτονική τεσσάρων επιπέδων, και περιλαμβάνει : 2 O αντίστοιχος αγγλικό όρος είναι Industrial Process Measurement and Control Systems (IPMCSs) Χρήστος Τρανώρης Διδακτορική Διατριβή 1-13

14 μια διαδικασία ανάπτυξης η οποία διευκολύνει την ανάπτυξη βιομηχανικών εφαρμογών χρησιμοποιώντας την έννοια του μοντέλου και ενισχύει την μετάβαση από τα αντικειμενοστρεφή UML μοντέλα σε μοντέλα IEC61499 βασισμένα στο Function Block. το πρωτότυπο εργαλείο υποστήριξης της διαδικασίας ανάπτυξης (εργαλείο υποστήριξης Μηχανικού) CORFU ESS (CORFU Engineering Support System (ESS)) το οποίο έρχεται να υποστηρίξει τις φάσεις ανάλυσης και σχεδιασμού. Για την υλοποίηση της προτεινόμενης υποδομής ικανοποιούνται κριτήρια όπως: α) ανάπτυξη μέσω μοντέλων, software encapsulation, επαναχρησιμοποίηση και ανεξαρτησία πλατφόρμας υλοποίησης με χρήση πρακτικών Software Engineering, β) παραμετροποίηση και runtime υποστήριξη με τη βοήθεια της CORFU Αρχιτεκτονικής και γ) απλοποιημένη ανάπτυξη της βιομηχανικής εφαρμογής με απόκρυψη της πολυπλοκότητας που σχετίζεται με το υπό κατασκευή σύστημα και εστίαση σε αφηρημένες λειτουργικές υπομονάδες. Επιγραμματικά, σημαντική συμβολή της διατριβής αποτελούν: ο ορισμός μιας μεθοδολογίας για την φάση της ανάλυσης και κύρια την τεκμηρίωση των απαιτήσεων ελέγχου και τον μετέπειτα μετασχηματισμό του μοντέλου ανάλυσης σε μοντέλο σχεδιασμού η φορμαλιστική περιγραφή κανόνων μετασχηματισμού από αντικειμενοστρεφείς έννοιες σε δομικά στοιχεία από το χώρο του αυτοματισμού όπως το Function Block ο σχεδιασμός και η ανάπτυξη ενός IEC61499 συμβατού πρωτότυπου εργαλείου CORFU ESS για την ανάπτυξη κατανεμημένων βιομηχανικών εφαρμογών σύμφωνα με την προτεινόμενη διαδικασία ανάπτυξης 1.4 Διάρθρωση της διατριβής Η οργάνωση της διατριβής έχει ως εξής: Στο Μέρος Ι, που αποτελείται από το 2 ο κεφάλαιο, γίνεται μια αναφορά στην παρούσα κατάσταση στο σχεδιασμό των βιομηχανικών εφαρμογών, παρουσιάζονται τα τελευταία πρότυπα στον χώρο, μεθοδολογίες σχεδιασμού και αρχιτεκτονικές οι οποίες έχουν βασισθεί στο πρότυπο IEC Στο Μέρος ΙΙ, που αποτελείται από το 3 ο κεφάλαιο, δίνεται το τεχνικό υπόβαθρο που χρησιμοποιήθηκε στην λύση μας. Αυτά είναι το πρότυπο 61499, η UML και η OCL. Στο Μέρος ΙΙΙ παρουσιάζεται η διαδικασία ανάπτυξης. Στο 4 ο κεφάλαιο παρουσιάζεται η αρχιτεκτονική της, η τεκμηρίωση των μεταμοντέλων, και οι κανόνες μετασχηματισμού. Στο 5 ο κεφάλαιο γίνεται παρουσίαση του εργαλείου υποστήριξης του μηχανικού, ο τρόπος με τον οποίο γίνεται η διαχείριση των διαγραμμάτων, ο σχεδιασμός τους από τον μηχανικό και ο τρόπος με τον οποίο εφαρμόζονται οι κανόνες μετατροπής. Στο Μέρος IV, που αποτελείται από το 6 ο κεφάλαιο, παρουσιάζονται 4 παραδείγματα εφαρμογής της διαδικασίας ανάπτυξης με κλιμακωτό βαθμό πολυπλοκότητας. Στο πρώτο παράδειγμα παρουσιάζεται ένα μικρό πρόβλημα και πώς το αντιμετωπίζει η διαδικασία ανάπτυξης. Το δεύτερο είναι ένα πιο σύνθετο Χρήστος Τρανώρης Διδακτορική Διατριβή 1-14

15 πρόβλημα όπου γίνεται εκτενής παρουσίαση της λύσης με έμφαση στην καθοδήγηση που προσφέρεται από το εργαλείο. Στο τρίτο παρουσιάζεται ο τρόπος με τον οποίο εφαρμόζεται η διαδικασία σε ένα μεγάλης κλίμακας έργο. Στο τέταρτο και τελευταίο παράδειγμα παρουσιάζεται μια βιομηχανική πλατφόρμα που κατασκευάστηκε στο εργαστήριο και ο τρόπος με τον οποίο σχεδιάστηκε η εφαρμογή ελέγχου της. Η διατριβή κλείνει με τα συμπεράσματα του 7 ο κεφαλαίου. Στο 8 ο παρατίθεται η χρησιμοποιούμενη βιβλιογραφία, ενώ στο 9 ο υπάρχουν τα παραρτήματα. 1.5 Επεξήγηση συντμήσεων ΔΔΜ ΣΒΔΜΕ CASE tool CME CORFU CWM DCS ESS ECC FB FBD FBDK HMS IDA IDD IPMCS IPP IPT MDD MVC OPC OMG PLC SCADA SPEM UML Διαχειριστής Διαδικασίας Μετατροπής Συστήματα Βιομηχανικής Διεργασίας, Μέτρησης και Ελέγχου Computer Aided Software Engineering tool Configuration Management Entity Common Object-oriented Real-time Framework for the Unified development of distributed IPMCS applications Common Warehouse Metamodel Distributed Control Systems Engineering Support System Execution Control Chart Function Block Function Block Diagram Function Block Development Kit Holonic Manufacturing Systems Interface Distributed Automation Internal Device Diagram Industrial Process Measurement and Control Systems Industrial Process Parameter Industrial Process Terminator Model Driven Development Model View Controller OLE for Process Control Object Management Group Programmable Logic Controler Supervisory Control And Data Acquisition Software Process Engineering Metamodel Unified Modeling Language Χρήστος Τρανώρης Διδακτορική Διατριβή 1-15

16 Χρήστος Τρανώρης Διδακτορική Διατριβή 1-16

17 Μέρος Ι Ανάπτυξη Βιομηχανικών Εφαρμογών Χρήστος Τρανώρης Διδακτορική Διατριβή 1-17

18 Χρήστος Τρανώρης Διδακτορική Διατριβή 1-18

19 2 Υπάρχουσα κατάσταση στο σχεδιασμό IPMCSs 2.1 Γενικά Σε αυτό το κεφάλαιο εξετάζεται η κατάσταση στον χώρο του σχεδιασμού βιομηχανικών εφαρμογών. Παρουσιάζονται τα τελευταία πρότυπα στο χώρο με έμφαση στο IEC61499 και εργαλεία Engineering Support Systems που έχουν εμφανιστεί και είναι συμβατά με το IEC Τέλος παρουσιάζονται άλλες προσεγγίσεις, μεθοδολογίες και αρχιτεκτονικές οι οποίες έχουν βασιστεί στο IEC Τα τελευταία χρόνια στο χώρο του σχεδιασμού ΣΒΔΜΕ, είναι πλέον κοινά αποδεκτή, η αύξηση του παγκόσμιου ανταγωνισμού μεταξύ των κατασκευαστών συστημάτων η οποία ακολουθείται ανάλογα από την απαίτηση των συστημάτων για ευελιξία. Για να γίνουν περισσότερο ανταγωνιστικοί οι κατασκευαστές σύγχρονων βιομηχανικών συστημάτων πρέπει να προσαρμόζονται γρήγορα στην παραγωγή λύσεων αυτοματισμού, διότι απαιτούνται πολύπλοκα συστήματα, τα οποία εμπεριέχουν τεχνολογίες βιομηχανικού ελέγχου, παρακολούθησης διεργασιών και επιχειρησιακού ελέγχου. Το χαρακτηριστικό που θα πρέπει να έχουν αυτά τα συστήματα βιομηχανικού ελέγχου, είναι η ικανότητα του να είναι ευέλικτα στις αλλαγές. Μια σύγχρονη βιομηχανική εγκατάσταση θα πρέπει να μπορεί γρήγορα και εύκολα να αλλάζει τα προϊόντα που παράγει ώστε να παραμένει ανταγωνιστική στις νέες απαιτήσεις της αγοράς. Σήμερα, υπάρχει εξαιρετικό ενδιαφέρον για χρήση νέων τεχνολογιών και αρχιτεκτονικών στον σχεδιασμό κατανεμημένων βιομηχανικών εφαρμογών νέας γενιάς. Σε αυτά τα συστήματα το λογισμικό θα οργανώνεται σαν σύνολο συνεργαζόμενων μονάδων παρά σαν μια μονολιθική εφαρμογή. [Aguiar et al, 1996] Μέχρι τώρα τα συστήματα ελέγχου διακρίνονται σε δύο κατηγορίες: τα απλά κατανεμημένα συστήματα ελέγχου (Distributed Control Systems DCS) και τα συστήματα βασισμένα σε προγραμματιζόμενους λογικούς ελεγκτές (PLC). Τα μεν DCS στηρίζονται επάνω σε κεντρικούς επεξεργαστές διασυνδεδεμένους σε κάποιο τοπικό δίκτυο με αρκετούς αισθητήρες, μηχανισμούς κίνησης, όργανα ελέγχου κλπ, όπου ο έλεγχος έρχεται από τους επεξεργαστές και τα όργανα ελέγχου είναι υπεύθυνα για κλειστούς βρόχους, πχ PID έλεγχο. Από την άλλη μεριά, τα συστήματα βασιζόμενα σε PLC, συνήθως έχουν πολλά PLC τα οποία επικοινωνούν με κάποιο ιδιοκτησιακό δίκτυο και είναι συνδεδεμένα σε πάρα πολλές εισόδους και εξόδους. Μέχρι σήμερα και με τις δύο προσεγγίσεις, οι εφαρμογές που έχουν δημιουργηθεί βασίζονται σε μονολιθικές λύσεις, με αποτέλεσμα να είναι δύσκολη η επαναχρησιμοποίησή τους αλλά κυρίως η διασυνδεσιμότητα μεταξύ τους και η χρήση τους με νέα προϊόντα και συσκευές. Τα δεδομένα της εφαρμογής συνήθως δεν είναι διαθέσιμα σε άλλες εφαρμογές παρά μόνο σε συγκεκριμένες εφαρμογές του κατασκευαστή, και μπορούν να βρίσκονται σε συγκεκριμένες συσκευές. Και στις δύο προσεγγίσεις οι λύσεις που δίνονταν στο παρελθόν είχαν χαμηλή ευελιξία κάνοντας δύσκολη την χρήση τέτοιων συστημάτων. Η έλευση των δικτύων πεδίου (fieldbuses) με τα πρότυπά τους, έδωσαν τη δυνατότητα σε συσκευές να διαλειτουργούν ενώ δόθηκε και η δυνατότητα πολλές εφαρμογές να τρέχουν ακόμη και σε προσωπικούς υπολογιστές. Έτσι, ενώ σιγά-σιγά η λύση στο Hardware άρχισε να εμφανίζεται, το λογισμικό ήταν αυτό που έπρεπε να γίνει πιο ευέλικτο. Απαιτήθηκαν πιο ευέλικτες και επιχειρησιακές λύσεις με αποτέλεσμα να κάνει την εμφάνισή της η ιδέα του κατανεμημένου αντικειμένου Χρήστος Τρανώρης Διδακτορική Διατριβή 2-19

20 [Orfali, R. et al, 1996]. Τέτοιες λύσεις στην περιοχή αυτή έχουν δοθεί από την CORBA [CORBA, 2004] αλλά και από το DCOM [DCOM, 2004] της Microsoft. Η τελευταία μάλιστα έχει δώσει μια λύση ειδικά για τα βιομηχανικά συστήματα βασισμένη στο DCOM που ονομάζεται OLE for Process Control (OPC). Άλλες λύσεις προτείνουν τεχνολογίες Ίντερνετ όπως είναι η Java και το World Wide Web, όπου μικρές συσκευές συνδεδεμένες στο δίκτυο θα εκτελούν κώδικα Java. Η κοινότητα του ελέγχου, διαπίστωσε ότι η διασυνδεσιμότητα οντοτήτων λογισμικού θα έχει πολλά πλεονεκτήματα για τους τελικούς χρήστες. Έτσι έφτασαν στην ιδέα του Function Block. Μερικά πλεονεκτήματα που προσφέρει το Function Block είναι: η επαναχρησιμοποίηση κάποιων πρότυπο λύσεων, ευελιξία στο σχεδιασμό, και η ολοκλήρωση διαφόρων κατασκευαστών. Έτσι λοιπόν έπρεπε να δημιουργηθούν πρότυπο που θα περιέγραφαν σημασιολογικά και σημειολογικά αυτές τις διασυνδέσεις. Το τελευταίο πρότυπο σε αυτή την κατεύθυνση είναι το IEC Στις επόμενες παραγράφους θα παρουσιαστούν κάποιες από τις τελευταίες προτεινόμενες μεθοδολογίες, θα επεξηγηθεί η μεθοδολογία ανάπτυξης που προτείνει το IEC61499 καθώς και θα δοθούν κάποιες αρχιτεκτονικές και μεθοδολογίες βασισμένες στο IEC Προσεγγίσεις στην ανάπτυξη βιομηχανικών συστημάτων Σχεδιασμός με το πρότυπο IEC Το πρότυπο IEC (IEC ) ορίζει γλώσσες κυρίως για PLC με απλούς επεξεργαστές και μικρή κατανομή. Στο πρότυπο αυτό εισάγεται το Function Block όπως και το Function Block Diagram (FBD). Κάθε μπλοκ περιέχει ένα αλγόριθμο ο οποίος εκτελείται κάθε φορά που καλείται το μπλοκ. Στα FBD συνδέονται δεδομένα εισόδου και εξόδου ενώ υπάρχει ροή δεδομένων από αριστερά προς τα δεξιά., γιατί τα δεξιά μπλοκς εξαρτώνται από τις τιμές εξόδου των αριστερών. Αυτό που δεν είναι ξεκάθαρο στα FBD του IEC ήταν η σειρά εκτέλεσης όταν υπήρχαν Feedback loops. Έτσι σε πολύπλοκες εφαρμογές, η σειρά εκτέλεσης δεν ήταν προφανής. Αν και το μοντέλο που προτείνει το πρότυπο είναι για έναν επεξεργαστικό πόρο, πραγματεύεται και προτείνει συστήματα με πολλούς πόρους. Οι δύο προτεινόμενοι μηχανισμοί είναι με global variables και communication function blocks. Εντούτοις στη πράξη αποδείχτηκε ότι ο ορισμός global variables δεν είναι ασφαλής μηχανισμός γιατί δεν είναι ξεκάθαρο σε ποιο πόρο θα τρέχουν. Από την άλλη το μοντέλο επικοινωνίας που προτείνει το πρότυπο με τα communication function blocks είχε σοβαρούς περιορισμούς Holonic Manufacturing Systems Το Holon είναι ένα αυτόνομο και συνεργαζόμενο δομικό στοιχείο ενός συστήματος και αποτελείται από ένα τμήμα επεξεργασίας της πληροφορίας και ένα τμήμα φυσικής επεξεργασίας, Το Holon είναι η βασική οντότητα των Holonic Manufacturing Systems (HMS). [Van Leeuwen and Norrie, 1997] Ένα HMS είναι μια ιεραρχία holons όπου ολοκληρώνει όλες της βιομηχανικές δραστηριότητες, από την παραγγελία μέχρι το σχεδιασμό και την παραγωγή με στόχο Χρήστος Τρανώρης Διδακτορική Διατριβή 2-20

21 την ευέλικτη βιομηχανική παραγωγή. Ένα HMS είναι ένα σύστημα όπου οι κύριες οντότητες δηλαδή τα υλικά, οι μηχανές, τα τμήματα κλπ έχουν αυτόνομες ιδιότητες Σε κάθε HMS οι δραστηριότητες των holons προσδιορίζονται από την αλληλεπίδραση με τα υπόλοιπα holons.[deen, 1994]. Οι φορείς του HMS consortium, έχουν αναπτύξει πλατφόρμες ελέγχου βασιζόμενες στην έννοια των Holons και των δικών τους λογισμικών και συσκευών. Αν και τα αποτελέσματα των ερευνών παραμένουν κλειστά στο consortium, έχουν δημοσιευθεί ελάχιστα γύρω από την έρευνα αυτή όπως πχ σχετικά με scheduling, κατασκευαστικό σχεδιασμό [Hasegawa et al, 1994)][Biswas et al, 1995][Sousa, Ramos, 1997) και έξυπνο έλεγχο [Brennan et al, 1997] Μηχανοτρονική Ο όρος Μηχανοτρονική (Mechatronic) αναφέρεται στον συνεργατικό συνδυασμό μηχανικής και ηλεκτρονικού ελέγχου στο σχεδιασμό κατασκευαστικών διεργασιών. Τα έξι κύρια θέματα που αποτελούν τα μοντέρνα mechatronics είναι: -Ανάλυση και μοντελισμός mechatronic συστημάτων -Αισθητήρες -Ενεργοποιητές -Προχωρημένες τεχνικές ελέγχου -Τεχνικές διασύνδεσης και ανάγκες πρότυπων προσεγγίσεων -Μηχανισμοί ακρίβειας και μηχανικές συσκευές Η οργάνωση συστημάτων mechatronic γίνεται απομονώνοντας τις τέσσερις συνιστώσες που αποτελούν τα συστήματα Mechatronic το computation, actuation, Instrumentation και τελικό σύστημα. Στόχος των mechatronic είναι η απομόνωση των οργάνων και των ενεργοποιητών ενώ ο έλεγχος μπορεί να γίνει με το πιο καλό διαθέσιμο υπολογιστικό μέσο. Σήμερα το καλύτερο μέσο είναι ο ψηφιακός υπολογιστής και το λογισμικό. [Auslander D.M et al, 2002] Σχεδιασμός κατανεμημένης εφαρμογής με βάση το IEC Η International Electrotechnical Commission (IEC) δημιούργησε το πρότυπο IEC (IEC61499) το οποίο καθορίζει μια μεθοδολογία σχεδιασμού όπου το Function Block είναι το βασικό δομικό συστατικό για την ανάπτυξη διαλειτουργικών κατανεμημένων εφαρμογών αυτοματισμού και ελέγχου, ενώ οι εφαρμογές μπορούν να υλοποιηθούν από Function Block δίκτυα διασυνδέοντας τις εισόδους και εξόδους τους. Στα βιομηχανικά συστήματα το function block είναι μια καλά εδραιωμένη ιδέα για την δημιουργία επαναχρησιμοποιήσιμου λογισμικού. Τα Function Block επιτρέπουν την απόκρυψη των αλγόριθμων ελέγχου και το να γίνει η χρήση τους κατανοητή ακόμη και από ανθρώπους που δεν είναι ειδικοί στην συγγραφή πολύπλοκων αλγορίθμων. Ολόκληρες εφαρμογές μπορούν να δημιουργηθούν διασυνδέοντας Function Block μεταξύ τους. Σκοπός της ομάδας που όρισε το IEC ήταν η δημιουργία ενός πρότυπου όπου θα χρησίμευε ως η βάση για Χρήστος Τρανώρης Διδακτορική Διατριβή 2-21

22 ξεχωριστά πρότυπα που θα αναπτύσσονταν σε ξεχωριστά domains του χώρου των κατανεμημένων βιομηχανικών εφαρμογών. Λόγω της γενικής φύσης του το πρότυπο φαίνεται να έχει ακαδημαϊκό χαρακτήρα. [Lewis R., 2001] Έτσι για παράδειγμα η ομάδα WG7 ασχολείται με τον ορισμό function blocks που θα χρησιμοποιηθούν σε βιομηχανικές διεργασίες (process industries) αλλά βασίζονται στις ιδέες και στο μοντέλο του IEC Περισσότερα για το Function Block και το IEC θα αναφερθούν σε επόμενο κεφάλαιο. To IEC (IEC61499) προτείνει ένα γενικό μοντέλο και μια μεθοδολογία η οποία μπορεί να χρησιμοποιηθεί για το σχεδιασμό κατανεμημένων εφαρμογών οι οποίες θα είναι βασισμένες στην προτεινόμενη αρχιτεκτονική του IEC Οι φάσεις που προτείνει η μεθοδολογία είναι οι εξής: 1. Συγκέντρωση Function block τύπων που θα είναι διαθέσιμοι στην κατανεμημένη εφαρμογή, μαζί με τύπους device και resource που θα είναι διαθέσιμοι στο σύστημα 2. Καθορισμός των υπο-εφαρμογών(subapplication) ή εφαρμογών(application) που θα δίνουν την απαιτούμενη λειτουργικότητα. 3. Αντιστοίχιση (mapping) των function block στιγμιότυπων και των διασυνδέσεων τους σε κατάλληλα resources. 4. Παραμετροποίηση (configuration) των συσκευών (device instances) και πόρων(resource instances) του συστήματος. 5. Παραμετροποίηση και διασύνδεση των communication service interface function blocks που θα πραγματοποιούν τις συνδέσεις συμβάντων και δεδομένων μεταξύ των διαφόρων resources Αν και στους μηχανικούς λογισμικού το Function Block μοιάζει ως παρωχημένη ιδέα, ως ένα στοιχείο λογισμικού που μοιάζει με κομμάτι hardware, εν τούτοις είναι πολύ δημοφιλές στο χώρο των μηχανικών ελέγχου, όπως είναι δημοφιλής η έννοια του αντικειμένου στο χώρο του λογισμικού και στους μηχανικούς λογισμικού. Στον αντικειμενοστρεφή σχεδιασμό, οι μηχανικοί εστιάζουν κυρίως στις σχέσεις των αντικειμένων, τη συμπεριφορά τους και τον τρόπο με τον οποίο θα τα επεκτείνουν. Αντίστοιχα και οι μηχανικοί ελέγχου, εστιάζουν στη χρήση Function Block με συγκεκριμένη λειτουργικότητα και τη διασύνδεσή τους, φιλοσοφία που ταιριάζει με αυτή των μηχανικών στη βιομηχανία που απλά διασυνδέουν συσκευές. Υπάρχουν όμως αρκετά κοινά του Function Block με την έννοια του αντικείμενου [Fingar et al, 1996]. Έτσι το Function Block επωφελείται από τα χαρακτηριστικά των αντικειμένων, με κυριότερα: -Την αντιστοίχηση με έννοιες του πραγματικού κόσμου -Την σταθερότητα των αντικειμένων, μιας και η συμπεριφορά τους δεν θα αλλάξει εφόσον παραδοθούν από τον προμηθευτή -Την μείωση της πολυπλοκότητας ανάπτυξης των εφαρμογών, αφού ο μηχανικός δεν χρειάζεται να ξέρει την εσωτερική λειτουργία των Function Block -Την επαναχρησιμοποίησή τους σε διάφορες εφαρμογές με την βοήθεια βιβλιοθηκών Αλλά και το ίδιο το Function Block προσφέρει στους μηχανικούς μερικές ιδιότητες όπως: -μειωμένη ποσότητα λογισμικού που χρειάζεται για τον έλεγχο -μείωση του χρόνου ανάπτυξης -συνοχή στα συστήματα που χρησιμοποιούν ίδιους τύπους FB Χρήστος Τρανώρης Διδακτορική Διατριβή 2-22

23 -αύξηση ποιότητας των συστημάτων [Lewis R., 2001] Layered Model View Controller Μια προτεινόμενη μεθοδολογία σχεδιασμού είναι η Layered Model View Controller (MVC) προσέγγιση, μια επέκταση του γνωστού MVC framework με προσθήκες από το IEC [Christensen JH, 2002] H MVC ανακαλύφθηκε στο Xerox Parc στη δεκαετία του 70's [Pope S., Krasner G., 1988] και σχετίζεται με την ενσωμάτωση δεδομένων μαζί με την επεξεργασία τους (το μοντέλο) την απομόνωσή τους από τον χειρισμό τους (τον έλεγχο) και την παρουσίασή τους (την άποψη) που γίνεται σε μια διεπιφάνεια χρήστη - Ένα μοντέλο είναι η οντότητα που απεικονίζει την δραστηριότητα συμβάντων ή δεδομένων π.χ. ένα πίνακα σε βάση δεδομένων ή μια διεργασία σε μια γραμμή παραγωγής - Η άποψη είναι μια μορφή που αποδίδει την κατάσταση του μοντέλου - Ο ελεγκτής (controller) εμπεριέχει δράσεις που αλλάζουν την κατάσταση του μοντέλου. Έτσι η προσέγγιση MVC δίνεται ως εξής: το μοντέλο είναι τα δεδομένα, η άποψη είναι π.χ. ένα παράθυρο στην οθόνη του υπολογιστή και ο ελεγκτής είναι ο ενδιάμεσος έλεγχος μεταξύ του μοντέλου και της άποψης. Στην προτεινόμενη μεθοδολογία, οι κλάσεις του MVC αναπαρίστανται από IEC function block τύπους. Οι κυριότερες κλάσεις που προτείνει η μεθοδολογία είναι: Controller Το function block που εμπεριέχει συναρτήσεις ελέγχου που θα υλοποιηθούν από στιγμιότυπα των τύπων και παρέχει την διεπαφή συμβάντων και δεδομένων για την διασύνδεση με άλλα Controller FB FBInstance Η αφηρημένη κλάσση όλων των FB τύπων όπως ορίζονται στο IEC Diagnostic element Ένας FB τύπος, υπεύθυνος για διάγνωση σφαλμάτων στις συσκευές. HMI element Μια οντότητα για είσοδο/έξοδο δεδομένων από/προς τον χρήστη, όπου τυπικά υλοποιείται από ένα IEC service interface function block. Interface Η διεπαφή μεταξύ των αισθητήρων και ενεργοποιητών όπου τυπικά υλοποιείται από ένα ή περισσότερα IEC service interface function block. Χρήστος Τρανώρης Διδακτορική Διατριβή 2-23

24 Model Ένα FB που αναπαριστά την συμπεριφορά του συστήματος ή της ελεγχόμενης συσκευής. Service interface Όπως αναφέρεται στο IEC61499, ένα Service Interface function block παρέχει μία ή περισσότερες υπηρεσίες προς την εφαρμογή, με μια αντιστοίχηση των υπηρεσιών σε συμβάντα και δεδομένα. View Μια οντότητα που αντιπροσωπεύει κάποια γραφική αναπαράσταση προς τον χρήστη και πιθανόν είσοδο δεδομένων προς τύπους Model όπου τυπικά υλοποιείται από ένα ή περισσότερα IEC service interface function block. Η μεθοδολογία IEC based MVC συνιστά όσο το δυνατόν περισσότερη οπτική αναπαράσταση της λειτουργικότητας της υπό έλεγχο διεργασίας και των αλγορίθμων της[christensen, 2000]. Τα στάδια που προτείνει η γίνονται με την ακόλουθη σειρά και είναι τα εξής: Σχέδιο Γίνεται ένα πρόχειρο σχέδιο της υπό ελέγχου διεργασίας, καθώς και με μια περιγραφή της συμπεριφοράς της. Μπορεί να περιέχει συνδέσμους σε σχέδια CAD αλλά θα πρέπει να είναι αφηρημένο σε πληροφορία και να δίνει μια άποψη της απαιτούμενης λειτουργίας σε υψηλό επίπεδο. Απόψεις Από το σχέδιο, αναπτύσσεται και ελέγχεται μια σειρά από Απόψεις που απεικονίζουν τις καταστάσεις των συσκευών πχ η θέση των κομματιών, η θέση των εργαλείων, η κατάσταση των κινητήρων κλπ. Animation Οι απόψεις ολοκληρώνονται σε μια στατική αναπαράσταση του συστήματος και με χρήση της αναπαράστασης αναπτύσσονται περιγραφές των λειτουργιών του συστήματος υπό φυσιολογικές και μη συνθήκες. Models Για κάθε άποψη, αναπτύσσεται και εξετάζεται ένα ή περισσότερα Μοντέλα ικανά να εξομοιώσουν τη δυναμική συμπεριφορά του συστήματος σε εξωτερικά συμβάντα και ελέγχεται η άποψη ώστε να δείχνει τις σωστές καταστάσεις. Controllers Η λογική ελέγχου τοποθετείται σε Controller FB ώστε να επιτευχθεί επιπρόσθετη λειτουργικότητα, πχ. ακολουθία λειτουργίας εξοπλισμού, διεπιφάνειες δεδομένων και συμβάντων για διασύνδεση με άλλα FBs. Diagnostics Προστίθεται λογική ελέγχου και διαγνωστικών και ελέγχονται μαζί με τα προηγούμενα Μοντέλα, Απόψεις και Controllers. Οι διαγνωστικές οντότητες απλά Χρήστος Τρανώρης Διδακτορική Διατριβή 2-24

25 παρακολουθούν τις εισόδους και εξόδους και αναφέρουν εάν εκτελούνται με την σωστή σειρά. Distribution Γίνεται κατανομή με ανάθεση ξεχωριστών οντοτήτων Μοντέλου σε συσκευές και γίνονται οι απαραίτητες κατανεμημένες διασυνδέσεις. Physical Υλοποίηση φυσικού σχεδιασμού με αντικατάσταση των Μοντέλων από διεπαφές σε πραγματικές Εισόδους / Εξόδους τους συστήματος Mechatronic Ο mechatronic σχεδιασμός γίνεται με κατάτμηση των FB ελέγχου εκτός των ορίων συσκευών, ανάθεση στιγμιότυπων FB στους ελεγκτές, πρόσθεση επικοινωνιακών FB και παραμετροποίηση τυχόν διαθέσιμων mechatronic συσκευών. 2.3 Εργαλεία υποστήριξης διαδικασίας Ανάπτυξης Υπάρχει πληθώρα εργαλείων υποστήριξης σχεδιασμού βιομηχανικών εφαρμογών, (Engineering Support Systems) τα οποία όμως είναι κυρίως ιδιοκτησιακές λύσεις από τη βιομηχανία. Όσο αφορά εργαλεία που είναι συμβατά με το 61499, το ευρύτερα γνωστό είναι το Function Block Development Kit της Rockwell [FBDK, 2004]. Κατασκευασμένο σε java, είναι το εργαλείο το οποίο υλοποιήθηκε παράλληλα με το πρότυπο σαν χώρος δοκιμών. Ακολουθεί την προσέγγιση Layered MVC. Επίσης, το τελευταίο καιρό παρουσιάστηκε και η πρώτη εμπορική λύση από την ISAGraph [ISAGraph, 2005], με τον editor της, η οποία όμως ακολουθεί την δική της προσέγγιση στην ανάπτυξη εφαρμογής. Άλλες προσπάθειες είναι: -ένας μικρός editor του πανεπιστήμιου Tampere στη Φινλανδία, βασισμένο στο Visio -τo Veda [veda, 2004] του πανεπιστήμιου Martin Luther, όπου εστιάζεται κυρίως στο verification εφαρμογών σχεδιασμένων με Function Blocks -ένας πρωτότυπος FB Editor, όπου γίνεται και εξέταση χρονοπρογραμματισμού των Function Blocks από [Πραγιάτη, 2004] Προς το παρόν δεν έχουν εμφανιστεί ακόμη εργαλεία που να κάνουν χρήση των αντικειμενοστρεφών εννοιών και της UML για την κατασκευή βιομηχανικών εφαρμογών. 2.4 Προτεινόμενες αρχιτεκτονικές Στην παρούσα παράγραφο θα παρουσιαστούν προτεινόμενες αρχιτεκτονικές και τεχνολογίες οι οποίες προσπαθούν να δώσουν έμφαση στη διαλειτουργικότητα και στην ανεξαρτησία εργαλείων και κατασκευαστών κάνοντας χρήση διαθέσιμων τελευταίων τεχνολογιών IDA Χρήστος Τρανώρης Διδακτορική Διατριβή 2-25

26 IDA είναι τα αρχικά του Interface Distributed Automation και είναι μια ομάδα εταιριών όπου ένωσαν τις τεχνολογικές τους προσπάθειες ώστε να δημιουργήσουν έξυπνες κατανεμημένες αρχιτεκτονικές βασισμένες σε τεχνολογίες του Web. Σκοπός της ομάδας IDA είναι η εδραίωση ενός ανεξάρτητου και ανοιχτού πρότυπο. (IDA, 2000). Η ομάδα IDA έχει ενσωματωθεί πλέον κάτω από το consortium της MODBUS Στόχοι και ορισμοί της IDA Η IDA ορίζει πρωτόκολλα, μεθόδους και δομές αντικειμένων για επικοινωνία και διαχείριση σε πραγματικό χρόνο. Όπου είναι δυνατό χρησιμοποιούνται γνωστά πληροφοριακά πρωτόκολλα. Για να επιτευχθεί ανταλλαγή αντικειμένων μεταξύ διαφορετικών εργαλείων και συσκευών γίνεται χρήση περιγραφών και μηχανισμών ανταλλαγής σε XML, ενώ η ασφάλεια ορίζεται από ένα επίπεδο το οποίο συνδυάζει ασφαλείς και μη συσκευές σε μία εφαρμογή και στο ίδιο δίκτυο Ethernet. Ορίζονται μέθοδοι συγχρονισμού ώστε να επιτραπεί ο συγχρονισμός μεταξύ συσκευών. Ορίζονται διαδικασίες που αποτρέπουν την μη εγκεκριμένη προσπέλαση από το Intranet ή το Internet. Για να πραγματοποιηθεί η όσο το δυνατό καλύτερη συνδεσιμότητα των συσκευών, η IDA ορίζει περιγραφές συσκευών, ανάθεση ΙΡ διευθύνσεων, ενώ καθορίζει και τις ελάχιστες απαιτήσεις της λειτουργίας των εξυπηρετών οι οποίοι βρίσκονται εντός των συσκευών. Έμφαση έχει δοθεί στα παρακάτω: Τεχνολογίες Web Ορισμός οδηγών για την δημιουργία ιστοσελίδων που θα απεικονίζουν και θα διαχειρίζονται τις συσκευές ελέγχου. Μέθοδοι για δυναμική και σε πραγματικό χρόνο απεικόνιση δεδομένων. Μέθοδοι για την είσοδο των χειριστών των συσκευών ελέγχου. Ασφάλεια Ορισμός πρωτοκόλλων και αρχιτεκτονικών δικτύου για υποστήριξη ασφαλών χαρακτηριστικών της αρχιτεκτονικής. Ορισμός επικοινωνιακού προφίλ σύμφωνα με διεθνή πρότυπο (SIL 3 (IEC 61508)). Τεκμηρίωση εκτελέσεων δοκιμών για έγκριση συσκευών (πχ TUV) Πραγματικός χρόνος Σχεδιασμός και υλοποίηση επικοινωνιακού δικτύου σε πραγματικό χρόνο, βασισμένο σε TCP/IP και Ethernet, συμπεριλαμβάνοντας: -Μοντέλο αντικειμένων -Απεικόνιση δεδομένων -Σύνολο υπηρεσιών -Έλεγχο πρόσβασης -Διαχείριση όγκου δεδομένων Χρήστος Τρανώρης Διδακτορική Διατριβή 2-26

27 -Απαιτήσεις διαχείρισης δικτύου -Απαιτήσεις για συμφωνία συσκευών Αρχιτεκτονική IDA Η αρχιτεκτονική της IDA βασίζεται στον ορισμό ενός Μοντέλου Συστήματος το οποίο απευθύνεται σε ανοιχτές ετερογενής βιομηχανικές εφαρμογές και περιέχει 5 κατευθύνσεις: Το μοντέλο εφαρμογής περιγράφει τη δομή και τις βασικές οντότητες της εφαρμογής. Το μοντέλο μηχανικής περιέχει το μοντέλο εγκαταστάσεων (plant) και τις σχέσεις μεταξύ του μοντέλου εφαρμογής και των εξαρτημάτων. Το μοντέλο παρουσίασης περιγράφει την εξωτερική συμπεριφορά των οντοτήτων του μοντέλου εφαρμογής και επιπλέον το τρόπο με τον οποίο συνδυάζονται για να δημιουργηθεί η πλήρης λύση. Το μοντέλο διεργασίας ορίζει την διασύνδεση και την συμπεριφορά των οντοτήτων του μοντέλου εφαρμογής με την υπό έλεγχο διεργασία. Το μοντέλο διεπαφής ανθρώπου-μηχανής αποτελείται από μια διεπιφάνεια χρήσης βασιζόμενη σε φυλλομετρητές για την απεικόνιση, την λειτουργία και τη διάγνωση OPC To OLE for Process Control (OPC) είναι ένα επικοινωνιακό πρότυπο που απευθύνεται στην βιομηχανία ελέγχου. Δημιουργήθηκε από την Microsoft και βασίζεται στο ένα επικοινωνιακό πρότυπο μεταξύ αντικειμένων, το OLE [OLE, 1996]. Το OPC είναι ένας πρότυπος μηχανισμός για επικοινωνία με διάφορες πηγές δεδομένων, είτε συσκευές στη διεργασία είτε βάσεις δεδομένων στον έλεγχο. Έτσι είναι σχεδιασμένο να επιτρέπει σε διάφορες client εφαρμογές να έχουν ομοιόμορφη πρόσβαση στα δεδομένα της διεργασίας. Η παροχή των δεδομένων γίνεται από OPC εξυπηρετητές διαφόρων τύπων, πχ. DataAccess, Alarm&Event, HistoricalData, όπου συνδέονται clients που συμφωνούν με το OPC. Οι εφαρμογές μπορούν να γράφονται σε πολλές γλώσσες προγραμματισμού, πχ. Visual Basic, Delphi, Power Builder, C++ κλπ. Έτσι για παράδειγμα ο έλεγχος μπορεί να γίνεται με C++ ενώ η επεξεργασία των δεδομένων με Visual Basic. Στόχος του πρωτοκόλλου OPC είναι το να αποτελέσει το κοινό τόπο μεταξύ κατασκευαστών λογισμικού και υλικού και να παρέχει λύσεις στη βιομηχανία όσο το δυνατό συντομότερα. [OPC Foundation, 2004] OΟONEIDA Χρήστος Τρανώρης Διδακτορική Διατριβή 2-27

28 OOONEIDA είναι το ακρωνύμιο του An Open, Object-Oriented knowledge Economy for Intelligent Distributed Automation [OONEIDA.info, 2004] και είναι μια ερευνητική πρωτοβουλία στο χώρο του αποκεντροποιημένου και ευέλικτου βιομηχανικού ελέγχου. Στόχος είναι η δημιουργία μιας τεχνολογικής υποδομής για μια νέα γνωστική βάση οντοτήτων και προϊόντων αυτοματισμού. Αυτή η πρωτοβουλία υποστηρίζεται παγκοσμίως από έναν αριθμό προμηθευτών και κατασκευαστών προϊόντων, κατασκευαστών έξυπνων mechatronic εξαρτημάτων, ακαδημαϊκών και ερευνητικών ιδρυμάτων. [OONEIDA, 2003] Η πρωτοβουλία OOONEIDA προτείνει την δημιουργία της γνωστικής βάσης στο χώρο των κατανεμημένων βιομηχανικών εφαρμογών μέσω της κατασκευής δομικών στοιχείων λογισμικού (function blocks) τα οποία θα περιέχουν τη γνώση όλων όσων συμμετέχουν στην προσπάθεια. Αυτά τα δομικά στοιχεία θα μπορούν να αναπτυχθούν μέσα σε έξυπνες συσκευές, μηχανές και συστήματα αυτοματισμού. Έμφαση επίσης θα δοθεί στην κατασκευή των βιομηχανικών εφαρμογών με εκτεταμένη χρήση μοντέλων. Η δημιουργία των μοντέλων θα γίνεται με πρότυπο σημειολογία, όπως πχ η UML, κατάλληλα προσαρμοσμένη και επεκταμένη με τις αρχιτεκτονικές απαιτήσεις των εφαρμογών αυτοματισμού. Στοχεύοντας θέματα φορητότητας, διαλειτουργικότητας και παραμετροποίησης το OOONEIDA σκοπεύει να δημιουργήσει τις βάσεις στο επίπεδο ελέγχου για μεγάλη εφαρμογή σε έξυπνα παραγωγικά συστήματα Η προσέγγιση TORERO Η προσέγγιση TORERO στοχεύει στη δημιουργία μιας αρχιτεκτονικής και μιας μεθοδολογίας για την πλήρη υποστήριξη του κύκλου ζωής κατανεμημένων συστημάτων ελέγχου. Εστιάζεται στην ανάπτυξη αυτο-ρυθμιζόμενων, αυτοσυντηρούμενων και αυτόματων κατανεμημένων συστημάτων ελέγχου. Η TORERO παρέχει όλα τα μέσα ώστε η κατασκευή της εφαρμογής ελέγχου να βασίζεται μόνο σε ένα σύνολο από έξυπνους αισθητήρες και μηχανισμούς κίνησης καθένα εξοπλισμένο με λογικό ελεγκτή χωρίς την χρήση άλλων λογικών ελεγκτών. Το έργο της TORERO έχει χρηματοδοτηθεί από την ΕΕ στο IST IV.2.2 Advanced control systems. Κύρια /αποτελέσματα της TORERO είναι [ TORERO WP1, 2003]: Αρχιτεκτονική ενός κατανεμημένου συστήματος ελέγχου Distributed Control System (DCS) Υλοποίηση μιας καινούρια συσκευής ελέγχου (TORERO Device = TD) Μεθοδολογία του DCS: Ανάπτυξη εργαλείου (TORERO IDE = TIDE) Ανάπτυξη με γλώσσα ανεξάρτητη υλοποίησης υλικού μέσω χρήσης του IEC βασισμένο σε Function Blocks Εφαρμογή Plug-and-Play τεχνικών στο επίπεδο συσκευής (UPnP) Ημι-αυτόματη κατανομή της εφαρμογής ελέγχου στο υλικό Σχεδιασμός και συντήρηση μέσω web Κατασκευή πρωτότυπου σε σύστημα επίδειξης Ολοκληρωμένη προσέγγιση για την κάλυψη ολόκληρου του κύκλου ζωής ενός DCS Χρήστος Τρανώρης Διδακτορική Διατριβή 2-28

29 Η προσέγγιση TORERO υποστηρίζει ότι είναι δυνατό ένα σύνολο από έξυπνους αισθητήρες και μηχανισμούς κίνησης καθένα εξοπλισμένο με λογικό ελεγκτή, πρώτα θα αυτο-ρυθμίζεται και μετά θα συντηρείται μέσω web, και συνεργατικά θα επιλύεται ένα πρόβλημα αυτοματισμού χωρίς κεντρική μονάδα Οι δύο κύριες οντότητες είναι:α) η συσκευή TORERO, TORERO Device (TD), που αποτελεί μια συσκευή αυτοματισμού εξοπλισμένη με ένα βαθμό ευφυΐας και ικανότητες επικοινωνίας, β) το TORERO IDE (TIDE), ένα περιβάλλον ανάπτυξης που επιτρέπει την ανάπτυξη του λογισμικού και την συντήρηση του κατανεμημένου συστήματος. Στο σχήμα 2.1 δίνεται η διαδικασία ανάπτυξης που προτείνει η TORERO. Σχήμα 2.1 Η διαδικασία ανάπτυξης όπως ορίζεται από την προσέγγιση TORERO. Χρήστος Τρανώρης Διδακτορική Διατριβή 2-29

30 2.5 Η αντικειμενοστρεφής προσέγγιση στο σχεδιασμό βιομηχανικών εφαρμογών Η χρήση αντικειμενοστρεφών εννοιών έχει εισαχθεί εδώ και αρκετά χρόνια στο χώρο του αυτοματισμού. Απόδειξη, για παράδειγμα, είναι η τεκμηρίωση του Function Block στο πρότυπο IEC [IEC 61131] όπου η έννοια του Function Block είναι παρόμοια με την έννοια της κλάσης και του αντικειμένου προσαρμοζόμενη στις ανάγκες του αυτοματισμού [Profibus, 2004]. Είχε γίνει φανερό ότι η χρήση του αντικειμενοστρεφούς προγραμματισμού στον έλεγχο, θα απλοποιούσε την ροή των δεδομένων μεταξύ των διαφόρων μονάδων ελέγχου, ενώ η πρώτη «αντιστοίχηση» είχε γίνει με τις εισόδους / εξόδους να αποτελούν τις ιδιότητες, και τον λογικό έλεγχο τις λειτουργίες των αντικειμένων [Ryan S., Yuen K., 1999]. Τέλος, πληθώρα εργασιών αφορά την χρήση των αντικειμένων και των μεθοδολογιών τους σε εφαρμογές πραγματικού χρόνου και σε ενσωματωμένα συστήματα, έτσι κατ επέκταση σε εφαρμογές ελέγχου. Τα τελευταία χρόνια η επικρατούσα προσπάθεια αφορά την χρήση της Unified Modeling Language (UML) [UML, 2004] ως σημειολογία για τον σχεδιασμό εφαρμογών ελέγχου σε πραγματικό χρόνο [Gomma Η., 2000] [Douglass B.P., 1998]. Κατόπιν δημιουργήθηκαν επεκτάσεις της σαν την UML-RT ειδικά για εφαρμογές πραγματικού χρόνου [Selic B., Rumbaugh J., 1998], ενώ τελευταία εισάγεται η UML έκδοση 2.0 και το προφίλ που τεκμηριώνει για Schedulability, Performance, and Time (STP Profile) [Douglass B.P., 2004]. Σε άλλες εργασίες συνδυάζεται με διαγράμματα ροής [Bonfè et al, 2002] ή με την SDL [Koehler H.J, 2000]. Προσπάθειες μεθοδολογιών που συνδυάζουν την UML και τον σχεδιασμό με Function Blocks, έχουν γίνει σε εργασίες όπως η [Heverhagen T. et al, 2003] όπου προτείνεται ένα UML profile για το Function Block adapter μεταξύ UML-RT και των Function Block του IEC61131, η [Zhang W., 2003] όπου γίνεται μια σύγκριση των δύο και το συμπέρασμα είναι ότι βρίσκονται πολύ κοντά, ενώ στην [Dubinin V., Vyatkin V., 2004] γίνεται μια προσπάθεια μετατροπής από UML σε IEC61499 FB. Χρήστος Τρανώρης Διδακτορική Διατριβή 2-30

31 Μέρος ΙΙ Τεχνικό υπόβαθρο της διατριβής Χρήστος Τρανώρης Διδακτορική Διατριβή 2-31

32 Χρήστος Τρανώρης Διδακτορική Διατριβή 2-32

33 3 Τεχνικό υπόβαθρο της διατριβής Στα πλαίσια της διατριβής αξιοποιούνται: το πρότυπο IEC61499, η Unified Modeling Language και η Object Constraint Language. Στις ακόλουθες παραγράφους παρουσιάζονται οι παραπάνω τεχνολογίες και αναφέρονται τα σημεία που έχουν χρησιμοποιηθεί στα πλαίσια της διατριβής. 3.1 Το πρότυπο Γενικά Τα τελευταία χρόνια, οι μηχανικοί στον χώρο του σχεδιασμού βιομηχανικών εφαρμογών και εφαρμογών ελέγχου, έχουν συνειδητοποιήσει ότι οι τελευταίες τεχνικές της Τεχνολογίας Λογισμικού μπορούν να χρησιμοποιηθούν και στον σχεδιασμό κατανεμημένων βιομηχανικών συστημάτων. Αυτό γίνεται ήδη εμφανές από την αντικατάσταση των παραδοσιακών και ιδιοκτησιακών λύσεων, με μοντέρνες, ευέλικτες, επαναχρησιμοποιήσιμες και διαλειτουργικές τεχνικές της Τεχνολογίας Λογισμικού. Απόδειξη αυτής της κίνησης είναι το πρόσφατα αναπτυσσόμενο πρότυπο της International Electro-technical Commission (IEC) και η ενίσχυση της ιδέας του Function Block το οποίο επεκτείνεται μέσω των προδιαγραφών που περιγράφονται στο πρότυπο και γίνεται η κύρια οντότητα για την ανάπτυξη βιομηχανικών εφαρμογών. Αναμένεται ότι συσκευές και δίκτυα πεδίου θα είναι συμβατά με την προσέγγιση που προσφέρει το IEC61499 στο κοντινό μέλλον, καθώς θα προκύψουν νέα και διαλειτουργικά εργαλεία. Οι μηχανικοί που ασχολούνται με τον έλεγχο, είναι ήδη αρκετά χρόνια εξοικειωμένοι με την ιδέα του Function Block στην περιοχή του σχεδιασμού εφαρμογών ελέγχου με βάση το πρότυπο IEC Αυτό έχει ως αποτέλεσμα, την μετάβαση χωρίς ιδιαίτερη δυσκολία στον σχεδιασμό εφαρμογών ελέγχου με το IEC Το πρότυπο IEC61499 έρχεται να ορίσει τις βασικές αρχές και μία μεθοδολογία η οποία προτείνεται στους σχεδιαστές συστημάτων για την ανάπτυξη ευέλικτων και διαλειτουργικών βιομηχανικών εφαρμογών. Στις ακόλουθες παραγράφους, παρουσιάζονται βασικές έννοιες που εισάγει το IEC Το μοντέλο συστήματος Στα πλαίσια του πρότυπο, ορίζεται το μοντέλο ενός Συστήματος Βιομηχανικής Διεργασίας, Μέτρησης και Ελέγχου (ΣΒΔΜΕ) (industrial process measurement and control system (IPMCS)), όπως φαίνεται στο σχήμα 3.1. Ένα ΣΒΔΜΕ αποτελείται από διασυνδεδεμένες Συσκευές που επικοινωνούν μέσω ενός δικτύου. Αυτά τα δίκτυα μπορούν να έχουν και ιεραρχική δομή. Χρήστος Τρανώρης Διδακτορική Διατριβή 3-33