Formale Synthese verteilter Steuerungen
Final Report Abstract
Ziel des Vorhabens war es, formale Synthesemethoden für verteilte Steuerungen zu erarbeiten und zu implementieren. Bei verteilten Steuerungen ist die Steuerungsaufgabe auf mehrere Komponenten aufgeteilt, die zum Beispiel auf unterschiedlichen, auch räumlich voneinander getrennten, Ressourcen ausgeführt werden. Verteilte Steuerungen bieten die Möglichkeit, die steigende Komplexität von Steuerungsaufgaben zu beherrschen und die räumliche Distanz der Steuerung zum gesteuerten Prozess zu verringern. Die Modularität kann genutzt werden, um die Flexibilität und Rekonfigurierbarkeit von Produktionsabläufen zu erhöhen. Als Ausgangspunkt für die Synthese wurden modulare Streckenmodelle in der Modellform sichere Netz Condition/Event Systeme (Abk. SNCES) und Spezifikationen von verbotenen Zuständen in Form von Zustandsprädikaten erstellt und verwendet. Verboten sind dabei Situationen in der Strecke, in denen Gefahr für Menschen, Maschinen, die Umwelt oder das Produkt existieren. Neben dem besonderen Anspruch verteilte Steuerungen zu erzeugen, liegt das Hauptaugenmerk auf der Beherrschbarkeit der Berechnungskomplexität. Es gilt die explizite Analyse des exponentiell über der Modellkomplexität wachsenden Zustandsraumes zu umgehen. Die Idee ist es, mittels struktureller Methoden zur Ermittlung von Invarianten und der Rückwärtssuche im Modellnetz alle nicht steuerbaren Trajektorien zu verbotenen Zuständen zu bestimmen. Die Steuerungseingriffe müssen das Eintreten in eine solche Trajektorie verhindern. Hierfür können zum einen steuerbare Zustandsübergängen (Schritte) blockiert werden, wir sprechen von der passiven Steuerung, oder die Steuerung erzwingt bestimmte Zustandsübergänge, aus deren Folgezustand keine Trajektorie zu verbotenen Zuständen erreicht wird, wir sprechen von der aktiven Steuerung. Ausgehend von den spezifizierten verbotenen Zuständen werden alle Schritte analysiert, die in einen verbotenen Zustand führen können. Für jeden Schritt wird überprüft, ob seine Aktivierung durch aktive oder passive Steuerungsaktionen verhindert werden kann. Ist das der Fall, wird eine entsprechende Steuerungskomponente erzeugt. Andernfalls gilt der den Schritt aktivierende Zustand ebenfalls als verboten. Auf diese Weise werden die nicht steuerbaren Trajektorien bestimmt, und die Analyse ist beendet, wenn die Aktivierung aller zuletzt berechneten Schritte verhindert werden kann oder kein noch nicht analysierter Vorzustand existiert. Für jede Teilsteuerung werden bei der Analyse sowohl die Funktionalität zur Beeinflussung der zugehörigen Teilstrecke als auch die notwendigen Kommunikationsfunktionen zu anderen Teilsteuerungen synthetisiert. Erfüllt eine gegebene Anfangsmarkierung keines der die verbotenen Zustände beschreibenden Prädikate, wird die Spezifikation als steuerbar bezeichnet. Als Resultat ergibt sich ein Modell von verteilten, untereinander kommunizierenden Steuerungen. Die Teilsteuerungen bestehen aus Kommunikationsfunktionen und Entscheidungsfunktionen. Kommunikationsfunktionen bestimmen die Werte von Kommunikationsvariablen und übermitteln diese an andere Teilsteuerungen. Entscheidungsfunktionen bestimmen die Werte von lokalen Steuerungsausgängen auf der Basis lokaler Beobachtung und den Werten von Kommunikationsvariablen. Jeder Funktionstyp einer Teilsteuerung wird in einen Basic Function Block (Basic FB) nach IEC 61499 überführt. Diese werden unter Nutzung eines IEC 61499 Entwicklungswerkzeugen auf verteilten Steuerungssystemen der Arbeitsgruppe implementiert und an Benchmarks demonstriert. Die Algorithmen zur Bestimmung von Zustandsinvarianten, für die Rückwärtssuche und die Verteilung der Steuerungsfunktionen sind in einem prototypenhaften Tool implementiert. Durch die Anwendung der erarbeiteten, formal korrekten Synthesealgorithmen können korrekte Steuerungskomponenten für Sicherheitsspezifikationen erstellt werden. Gerade im Bereich der Sicherheitsanforderungen ist der Anspruch an korrekte Implementierung besonders hoch und kann durch formale Synthese erfüllt werden. Die Implementierung in Basic FBs nach IEC 61499 ist dabei nur eine Möglichkeit und wurde unter anderem wegen der Möglichkeit gewählt, echt verteilte Steuerungen abzubilden. Methoden zur Implementierung zentraler Steuerungsmodelle in IEC 61131 sind in früheren Projekten erarbeitet worden und können ebenfalls Anwendung finden. Die verbesserte Rückwärtssuche lässt sich ohne weitere Anpassungen auch zur Synthese von Steuerungsfunktionen für zentrale Steuerungen einsetzen.
Publications
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Missal, D. und Hanisch, H.-M.
