Development and Implementation of Hierarchical Control Structures of Flexible Production Systems Using High Level Petri Nets

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13654_082_Colombo_web4.pdf (99.05 MB)
Diss. Reihe Fertigungstechnik, Band 82

Language
de
Document Type
Doctoral Thesis
Issue Date
2020-05-04
Issue Year
1998
Authors
Colombo, Armando Walter
Editor
Feldmann, Klaus
Geiger, Manfred
Publisher
Meisenbach
ISBN
3-87525-109-1
Abstract

The factors time, flexibility and quality have more and more importance for the existence and success of a company under the hart pressure of international competition. Important advantages can be won only with the Shortest development time – from the idea to the final product. The production must meet the demands of the market, but it has to be Customers oriented, as well. These tasks can be fulfilled only through the usage of Flexible Production Systems. The degree of flexibility of these systems depends, not only, on the flexibility of single Components, but also, what is even more important, on its control system (DECS). For this reason, the use of complex design methodologies, and control- and monitoring- Structures is necessary in order to develop this sort of production systems. Programmable Logic Controllers (PLC), as well as CNC, NC, RC and PCs, are Currently used for running of flexible production systems. It is often to be seen that the usage of different design- and programming-methods for PC-/PLC-solutions results time consuming and therefore costly processes. Design and implementation of control system - tools and methods - is completely separated from the planning, design and implementation of the flexible production system. So, should the FPS Iayouts or product choice be changed, reprogramming or new programming of the control software is necessary. The usage of High-Level Petri Nets (H-L-PN) is a new base for design, modeling, validation and implementation of the flexible production systems. H-L-PN is, opposite to other methods, much more suitable for description of FPS, and discrete, asynchronous and concurrent processes that might occur. H-L-PN has a well-known mathematical theory as base and can graphically show all process events. H-LPN- based models can be used in the FPS planning-, as well as in the development and implementation-phase. The H-L-PN-based model of the FPS is also suitable for the control of production systems. The advantage of this procedure is obvious. Once the H-L-PN model of a FPS is created, a qualitative (Structural analysis) and quantitative (e.g., Simulation) analysis can be performed in order to validate the system Specifications. After this, control Iogic, of high quality and without development errors, can automatically be generated through derivation of control signals from the validated H-L-PN model. This work describes an H-L-PN-based approach for FPS development that comprises a new control- and monitoring-concept. Opposite to other solutions, a designed, modelled and validated FPS can be Controlled directly through data exchange between H-L-PN-based model and production system, and through information exchange between H-L-PN-based model and Overlapped control Ievels (real-time decisions and/or planning Ievel). The usage of such complete platform-independent and –ConfigurabIe models of the systems and their control Structures makes possible important saves of time and costs. Two new engineering methods are presented. The first method supports the user in the design and implementation tasks of the H-L-PN- and PC-based control- and monitoring- system of FPS. The second one allows automatic creation of IEC 1131-conform PLC-code out of validated and optimized H-L-PN-based models of FPS. In this case, the resulted control code can be Ioaded directly in a PLC or an Off-Iine simulator. The complete FPS/DECS development process, i.e., design, programming and implementation, can be entirely supported through the engineering-tool - based on the H-L-PN theory - developed within this work. The both above named methods used H-L-PN-based models. For this reason, they are Suitable, not only for the development and control of a FPS, but also, because of their graphical and mathematical character, for the Visualization of the internal events of the system, and through this for the monitoring/control of the production processes. An extension of the new FPS control concept using an industrial control- and monitoring component was also developed. This component offers, not only the possibility to show the evolution of H-L-PN-based control model, but allows also the preparation of user-friendly graphic representation of the controlled process. Herewith is achieved the Integration of the human operator into the development concept (human-machine system). Because of their extension abilities and their modular construction, in this work developed and Implemented control Structures can be used as an excellent base for further ones. Especially, the engineering-tool can be seen as a new FPS component: a virtual representation of the real flexible production environment. It is able to run Synchronous with the FPS and both can be seen as a unique production entity. Compared with other approaches, the proposed engineering-tool does offer a number of advantages, for instance: Specifications can be verified, implementation can be automated, test cases can be generated, Iabour costs can be saved by reducing working-time of designing a test suite. However, the most important aspect is the possibility to develop and Implement more reliable FPS/DECS.

Abstract

Die Faktoren Zeit, Flexibilität und Qualität gewinnen für das Bestehen und den Erfolg von Unternehmen im harten internationalen Konkurrenzdruck zunehmend an Bedeutung. Nur mit kürzesten Entwicklungszeiten von der Produktidee bis zur Marktreife werden entscheidende Wettbewerbsvorteile gegenüber Mitbewerbern gewonnen. Die Produktion muß deshalb sowohl kundenorientiert ausgerichtet als auch in der Lage sein, auf neue Marktanforderungen flexibel und bedarfsgerecht zu reagieren. Dies kann nur durch den Einsatz flexibler Produktionssysteme (FPS) gewährleistet werden. Der Grad der Flexibilität dieser Produktionssysteme hängt nicht nur von der Flexibilität der Einzelkomponenten ab, sondern in viel stärkerem Umfang von dem zugrundeliegenden Steuerungs- und Kontrollsystem (DECS). Aus diesem Grund erfordern derartige Flexibilitäts-Konzepte komplexe Entwurfmethoden und Steuerungs- und Überwachungssysteme. Bisher werden zum Betrieb von flexiblen Produktionssystemen - neben CNC-, NC-, RC-Einrichtungen und Zellenrechner (PC) - Speicherprogrammierbare Steuerungen (SPSen) verwendet. Der Einsatz unterschiedlicher Entwurfs- und Programmiermethoden ist bei PC-/SPS-Losungen häufig zu beobachten und stets mit Zeitverlust verbunden. Bei einer Veränderung des FPS-Layouts oder bei einem Produktwechsel ist oft eine Um- bzw. Neuprogrammierung der Steuerungssoftware erforderlich. Deren Entwurf und Implementierung erfolgt, was den Einsatz von Werkzeugen und Methoden betrifft, weitgehend getrennt von der Planung und dem Entwurf der flexiblen Produktionssysteme selbst. Ein neuer Ansatz, der die Integration dieser beiden getrennten Vorgehensweisen unterstützt, ist die Verwendung von High-Level Petrinetzen (H-L-PN) zu Entwurf, Modellierung, Validierung und Implementierung flexibler Produktionssysteme. H-L-PN eignen sich im Gegensatz zu anderen Verfahren weitaus besser zur Beschreibung von FPS und der auftretenden diskreten, asynchronen und nebenläufigen Prozessabläufen. Weitere Vorteile von H-L-PN ist die fundierte mathematische Theorie als Grundlage und die Möglichkeit, das Prozeßgeschehen graphisch abzubilden. Sowohl in der Planungsphase als auch in der Entwicklungs- und Implementierungsphase von FPS können H-L-PN-basierte Modelle eingesetzt werden. Das H-L-PN-basierte Modell eines FPS bietet sich aber auch zur Steuerung des Produktionssystems an. Der Vorteil dieser Vorgehensweise liegt auf der Hand: Ist das H-LPN- ModeII eines FPS erst einmal erstellt und durch qualitative (z.B. Strukturalanalyse) sowie quantitative (z.B. Simulation zur Leistungsbewertung) Verfahren überprüft, dann kann durch Ableitung von Steuerungssignalen aus dem H-L-PN qualitativ hochwertige und fehlerfreie Steuerungslogik automatisch generiert werden. Der zeitintensive Entwicklungsschritt in wesentlichen bedingt durch die manuelle Programmierung der Steuerungsapplikation für das FPS kann drastisch reduziert werden. Die vorliegende Arbeit beschreibt ein auf H-L-PN basierendes Verfahren zur Entwicklung von FPS, das ein neues Steuerungs- und Überwachungskonzept beinhaltet. Im Gegensatz zu den aktuellen Lösungen kann ein FPS nach Entwurf, Modellierung und Validierung direkt durch Signalaustausch zwischen dem H-L-PN-basierten Modell und dem Produktionssystem, und durch Informationsaustausch zwischen dem H-L-PN-basierten Modell und der überlagerten Steuerungsebene (Echtzeit-Entscheidungs- bzw. Planungsebene) gesteuert werden. Die Verwendung von durchgängigen, plattformunabhängigen, konfigurierbaren und für den realen Betrieb einsetzbaren Modellen flexibler Produktionssysteme und deren Steuerungsstrukturen erschließt ein erhebliches Einsparpotential an Zeit und Kosten. In dieser Arbeit werden zwei neue Engineering-Methoden vorgestellt. Die erste Methode unterstützt den Anwender bei Entwurf und Implementierung eines auf H-L-PN-basierten Steuerungs- und Überwachungssystems von FPS, wobei als Hardware-Plattform ein (lndustrie-)PC zum Einsatz kommt. Die zweite Methode erlaubt die automatisierte Erzeugung von IEC 1131-konformem SPS-Code aus einem validierten und optimierten H-L-PN-basierten Modell eines FPS. Dabei kann der resultierende Steuerungscode direkt in die SPS bzw. einen Off-Iine-Simulator geladen werden. Durch das im Rahmen dieser Arbeit entwickelte Engineering-Werkzeug kann, durch den Einsatz der H-L-PN-Theorie, der gesamte Entwicklungsprozeß, d.h. Projektierung, Programmierung und Implementierung von Steuerungssoftware für FPS, unterstützt werden. Die in beiden Methoden verwendeten H-L-PN-basierten Modelle eignen sich aber nicht nur zur Entwicklung eines FPS und dessen Steuerung, sie können auch, durch ihren graphischen und mathematischen Charakter, das momentane systeminterne Geschehen visualisieren und dadurch zur Überwachung bzw. zur Führung von Produktionsprozessen genutzt werden. Eine Erweiterung des Steuerungskonzeptes um eine Bedienungs- und Beobachtungskomponente für FPS wurde ebenfalls entwickelt. Diese ermöglicht, neben der Visualisierung des Ablaufs von H-L-PN-SteuerungsmodeIIen (MarkenspieI), auch die Bereitstellung von benutzerfreundlichen graphischen Darstellungen des gesteuerten Prozeßablaufes, d.h. die Integration des Menschen in das Entwicklungskonzept wird berücksichtigt (Mensch-Maschine-System). Aufgrund der Erweiterbarkeit und des modularen Aufbaus können die in dieser Arbeit entwickelten und implementierten Steuerungsstrukturen als solide Basis für eine Reihe weiterer Entwicklungen betrachtet werden. Insbesondere stellt das implementierte Engineering- Werkzeug eine neuartige FPS-Komponente dar. Mit Hilfe dieses Werkzeugs wird eine virtuelle Abbildung der flexiblen Produktionsumgebung erstellt, welche mit dem realen FPS synchronisiert wird und damit für den Produktionsingenieur als eine Einheit anzusehen ist. Damit weist das vorgeschlagene Engineering-Werkzeug im Vergleich zu traditionellen Vorgehensweisen eine ganze Reihe von zusätzlichen Vorteilen auf: Spezifikationen können formal verifiziert werden, die Implementierung des Systems und der zugehörigen Steuerung kann automatisiert erfolgen, Test-Fälle können generiert werden, wodurch teuere Arbeitszeit beim Design des FPS eingespart werden kann. Am wichtigsten ist jedoch die Möglichkeit zur Synthese zuverlässiger Produktionssysteme (FPS/DECS) anzusehen.

Series
Fertigungstechnik - Erlangen
Series Nr.
82
Notes
Nach Rechteübertragung des Meisenbach-Verlags auf die FAU digitalisiert und online gestellt durch Geschäftsstelle Maschinenbau und Universitätsbibliothek der FAU im Jahr 2020. Koordination der Reihe: Dr.-Ing. Oliver Kreis. Für weitere Informationen zur Gesamtreihe siehe https://mb.fau.de/diss
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