Διαδικασία ανάπτυξης βιομηχανικών εφαρμογών ελέγχου και εργαλείο υποστήριξής της

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 61499 of the International Electrotechnical Commission (IEC) which is affected from practices and current trends in Software Engineering. The IEC 61499 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 61499 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 61499. 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 61499 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.

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 IEC61131. 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 Διεργασιών1 (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 IEC61499. 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.