Konzeption, Realisierung und Evaluation einer werkzeugunterstützten Vorgehensweise für die Entwicklung von Agentensystemen in der Automatisierungstechnik unter Berücksichtigung der Usability (KREAagentuse)
Final Report Abstract
Eine der häufigsten Fehlerursachen von automatisierten Produktionsanlagen sind defekte Sensoren, auf die normalerweise das Herunterfahren des Produktionsprozesses und die Durchführung von Wartungsarbeiten (Ersetzen defekter Sensoren) folgen. Eine Alternative, abhängig vom jeweiligen Prozess, kann z.B. sein, die Produktionsanlage in einen stabilen Zustand zu fahren, um weitere Funktionsstörungen zu vermeiden. Zur Vermeidung von Produktionsausfällen, ist die Verwendung von redundanten Geräten oder Informationen und eine darauf basierende dynamische Rekonfiguration zur Laufzeit eine Möglichkeit, um auf Sensorausfälle zu reagieren, was jedoch mindestens die Verdoppelung der Kosten der Sensorik einer Anlage zur Folge hat und in einigen Fällen aufgrund von räumlichen Einschränkungen technisch nicht möglich ist. Ein Lösungsansatz, die Verfügbarkeit von Produktionsanlagen mittels redundanter Informationen durch die Implementierung von virtuellen Sensoren innerhalb der Steuerungssoftware zu erhöhen, wurde bereits durch den Lehrstuhl Automatisierung und Informationssysteme (AIS) der Technischen Universität München entwickelt. Dieser Ansatz integriert das Konzept der Redundanz durch virtuelle Sensoren in eine Architektur für Softwareagenten, die auf handelsüblichen Speicherprogrammierbaren Steuerungen (SPS) implementiert werden, und ergänzt es durch prototypische Modellierungsformen. Der Ansatz konnte an mehreren Laboranlagen, hinsichtlich einer Steigerung der Anlagenverfügbarkeit, positiv evaluiert werden. Darauf aufbauend wurde im Projekt KREAagentuse ein prototypisches Werkzeug für die modellbasierte Entwicklung und automatische Implementierung der Softwareagenten entwickelt und in eine Standardentwicklungsumgebung für SPS-Steuerungscode nach IEC 61131-3 integriert. Die Beschreibung der Softwareagenten basiert dabei auf den Notationen und Diagrammen der Systems Modeling Language (SysML). Um unter anderem den für die Softwareagenten und darin enthaltenen virtuellen Sensoren entwickelten Modellierungsansatz mit dieser Sprache abbilden zu können, wurde sowohl das Metamodell der SysML erweitert, als auch die existierenden Diagramme dieser Sprache adaptiert. Zur weiteren Unterstützung der Entwickler der Steuerungssoftware wurde eine Vorgehensweise entwickelt, die definierte Schritte zur Modellierung agentenbasierter Steuerungssoftware vorgibt. Auf Grundlage von gefundenen Abbildungsregeln zwischen den Modellen und dem korrespondierenden Steuerungscode konnten Codegeneratoren (Modelltransformatoren) entwickelt werden, die eine automatische Implementierung von lauffähigem Steuerungscode ermöglicht. Eine Online-Ansicht unterstützt das Debugging direkt innerhalb der Modelle. Die entwickelte Vorgehensweise und Modellierung wurde durch geführte Interviews mit Experten aus der Industrie sowie durch Fokusgruppen, bestehend aus Wissenschaftlern, positiv evaluiert. Die entstandene Lösung zur Erhöhung der Anlagenverfügbarkeit wurde positiv und die vorgeschlagene Vorgehensweise wurde als sinnvoll bewertet. Aus dem SysML-basierten Modellierungsansatz wurde das erweiterte Parameterdiagramm, welches für das Agentenmodell wesentlich erweitert wurde, im Vergleich mit dem Continuous Function Chart (CFC), empirisch mit sechs Probanden, evaluiert. Im Parameterdiagramm modellierte Software kann durch nicht am Entwicklungsprozess beteiligte Personen, einfacher interpretiert und damit verstanden werden, als dies bei anderen Sprachen der IEC 61131-3 der Fall ist. Als Ergebnisse dieses Projekts liegen erprobte Beschreibungsmittel, ein Werkzeug und eine Methode vor, die es dem Applikationsingenieur ermöglichen agentenorientierte Ansätze in SPS (Beckhoff und CoDeSys-Familie) zu integrieren. Das Transferunternehmen wird diese Ergebnisse domänenunabhängig vermarkten. Für die Einführung in spezifische Domänen, wie z.B. die Intralogistik, sind weitere Projekte notwendig. Das Projekt wurde durch die Projektpartner auf dem Stand des Transferunternehmens Beckhoff Automation GmbH auf der Hannover Messe 2008 vorgestellt. Neben mehreren wissenschaftlichen Publikationen auf internationalen Kongressen und in deutschen Journalen wurden die Projektergebnisse in der PC-Control (Heft 1, 2009), in den VDI-Nachrichten (19.11.2010) sowie in der Ausgabe 12/2011 des Newsletters des Cluster Mechatronik & Automation e.V. berichtet. Durch die aktive Mitgliedschaft im Fachausschuss „Agentensysteme“ der Gesellschaft für Mess- und Automatisierungstechnik (GMA) flossen die Erkenntnisse des Forschungsprojekts direkt in die VDI/VDE-Richtlinie 2653 „Agenten in der Automatisierungstechnik“ ein.
Publications
- Domänenspezifische Modellierung für automatisierungstechnische Anlagen mit Hilfe der SysML. In: Automatisierungstechnische Praxis (atp), Oldenbourg Industrieverlag, München, 3 (51), S. 54-62
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- Agent oriented software-development for networked embedded systems with real time and dependability requirements the domain of automation. In: Proc. of the 17th IFAC World Congress, Seoul, South Korea, 2008. S. 4144 – 4149
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- Increasing flexibility and availability of manufacturing systems – Dynamic reconfiguration of automation software at runtime on sensor faults. In: Proc. of the 9th IFAC Workshop on Intelligent Manufacturing Systems (IMS), Stettin, 2008
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- A methodological approach to evaluate the benefit and usability of different modeling notations for automation systems. In: Proc. of the 7th IEEE International Conference on Automation Science and Engineering (CASE), Triest, Italien, 2011
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- Fundamental Aspects Concerning the Usability Evaluation of Model-Driven Object Oriented Programming Approaches in Machine and Plant Automation. In: Proc. of the 14th IEEE Conference on Human-Computer Interaction (HCI), Orlando Florida, USA, 2011
Obermeier, M.; Braun, S.; Sommer, K.; Vogel-Heuser, B.
- Modellintegration von Verhaltens- und energetischen Aspekten für mechatronische Module - Energieoptimierung auf Grundlage von Modellinformationen. In: at – Automatisierungstechnik, 1 (59), Oldenbourg Verlag, München, 2011, s. 33 – 41
Schütz D.; Vogel-Heuser, B.
- Potentiale und Herausforderungen für Steuerungsprogrammierung im Maschinen- und Anlagenbau von morgen. In: B. Vogel-Heuser (Hrsg.), Erhöhte Verfügbarkeit und transparentere Produktion, Kassel University Press, Kassel, 2011, S. 22 – 32
Frank, U.; Papenfort, J.; Obermeier, M.; Vogel-Heuser, B.
- Real-Time Capable Software Agents on IEC 61131 Systems - Developing a Tool Supported Method. In: Proc. of the 18th IFAC World Congress, Milan, Italy, 2011, S. 9164 – 9169
Frank, U.; Papenfort, J.; Schütz, D.
- Verfügbarkeitssteigerung von Produktionsanlagen mit Softwareagenten – Entwicklung eines durchgängigen Werkzeugs. In: B. Vogel-Heuser (Hrsg.), Erhöhte Verfügbarkeit und transparentere Produktion, Kassel University Press, 2011, S. 34 – 54
Schütz, D.; Vogel-Heuser, B.
