Funktionaler Anwendungsentwurf für verteilte Automatisierungssysteme - FAVA
Final Report Abstract
Aus der Sicht eines Anwendungsentwicklers besteht die Herausforderung beim Engineering von verteilten Automatisierungssystemen darin, dass eine Verteilung von Automatisierungsfunktionen auf unterschiedliche Knoten nötig ist, um die geforderten funktionalen Anforderungen unter Berücksichtigung der nicht-funktionalen Anforderungen (NFA) zu erfüllen; für die projektspezifischen funktionalen Anforderungen eine passende auf mehreren Steuerungen verteilbare Funktionsarchitektur zu finden; die Komplexität der Zusammenhänge von verteilten Funktionen und deren ausführender Hardware während des Entwurfs zu beherrschen. Um die Komplexität dieser Aufgaben zu reduzieren, wurde in dem Projekt „Funktionaler Anwendungsentwurf von verteilten Automatisierungssystemen“ (FAVA) ein Lösungsansatz entwickelt, der den Anwendungsentwickler gezielt beim Entwurf von verteilten Automatisierungssystemen unterstützt. Für einen systematischen und anforderungsgetriebenen Entwurf verteilter Automatisierungssysteme wurde in diesem Projekt ein Vier-Ebenen-Vorgehensmodell, das den Entwurf einer verteilten Steuerungsarchitektur unter Berücksichtigung von nicht-funktionalen Anforderungen unterstützt, entwickelt. Ein weiterer Teil des Lösungsansatzes ist die Entwicklung einer universellen Notation für die Entwicklung, Konzeption und Implementierung von verteilten Automatisierungssystemen. Der Anwendungsentwickler wird beim Anwenden dieser Notation durch das Vier-Ebenen-Vorgehensmodell unterstützt. Auf Basis der Ebenen des Vorgehensmodells wurde ein Merkmalsmodell entwickelt, das abhängig von den Ebenen des Vorgehensmodells in Kategorien von nicht-funktionalen Anforderungen, basierend auf quantitativ erfassbaren Merkmalen der Systemelemente und des Systems, unterteilt wurde. Die nicht-funktionalen Anforderungen werden auf der jeweils relevanten Ebene des Vorgehensmodells bearbeitet. Auf Basis dieser Ebenen wurde darüber hinaus ein Musterkonzept entwickelt, das den Anwendungsentwickler beim Entwurf mittels Entwurfsvorschlägen unterstützt. Die Muster unterstützen den Anwendungsentwickler dadurch, dass bewährte AT-Lösungen angeboten werden (Funktionsmuster). Des Weiteren erfährt der Anwendungsentwickler Unterstützung bei der Verteilung der Funktionalität auf die AT-Geräte (Sensoren, Aktoren, Steuerungen u. a.) durch Verteilungsmuster. In diesem Projekt wurde erarbeitet, wie verteilte Automatisierungssysteme basierend auf einem Beschreibungsmittel (= einer Notation), Merkmalen und Mustern entworfen werden können. Dieser Ansatz ermöglicht es, sowohl den Anwendungsentwickler mit einer Vorgehensweise zu führen als auch bei Designentscheidungen jeweils die Auswirkungen der Entscheidung abzuschätzen und den Anwendungsentwickler bei den Entscheidungen zu unterstützen. So kann die Erfüllung von NFAs schon während des Entwurfs berücksichtigt werden. Das Entwurfsergebnis, das die für die Anwendung nötigen Funktionsblöcke und deren Laufzeitumgebung enthält, kann dann in der SPS-Programmiersprache IEC 61131-3 programmiert werden. Der in diesem Projekt entwickelte Ansatz wurde mit ca. 80 studentischen Probanden erfolgreich evaluiert. Es konnte gezeigt werden, dass die Nutzung der FAVA-Notation alleine eine signifikante (p = 0.001) Verbesserung darstellt. Wird die FAVA-Notation zusammen mit dem Merkmalskonzept verwendet, wird nochmals eine tendenzielle (p = 0.258) Verbesserung erreicht (sowohl mit als auch ohne die Verwendung von Mustern). Die Untersuchung des „Deployments“, eines wesentlichen Teilaspekts des Entwurfs verteilter Systeme, zeigte qualitativ eine deutliche Verbesserung durch den Einsatz von Mustern in Kombination mit Merkmalen und Notation. Durch das Projekt konnte gezeigt werden, dass ein modellbasierter Entwurf von verteilten automatisierungstechnischen Anlagen auf Basis eines an die Domäne angepassten Ansatzes deutliche Verbesserungen für den Anwendungsentwickler ermöglicht. In zukünftigen Forschungsarbeiten kann dieser Ansatz auf heterogene, auf verschiedene Unternehmen verteilte Automatisierungsstrukturen erweitert werden. Hier könnte die Beschreibung von gesamten Cyber- Physical Systems betrachtet werden. In einem heterogeneren Umfeld nimmt die Bedeutung der nichtfunktionalen Anforderung Interoperabilität zu. Mechatronische Port-Ansätze könnten zur Überprüfung der Interoperabilität mit den in diesem Forschungsprojekt erarbeiteten Ansätzen kombiniert und angepasst werden. Zusätzlich ist das interne Verhalten von Funktionsblöcken mit Anforderungs- und Lösungsmerkmalen sowie deren Einfluss auf das Gesamtsystem bisher nur oberflächlich betrachtet worden. Ein tieferes Verständnis dieser Aspekte würde die Vorhersagbarkeit der Einhaltung von Anforderungen weiter erhöhen. Der dadurch weiter steigenden Komplexität könnte durch Einsatz einer Ontologie zur Analyse begegnet werden.
Publications
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Design Patterns for Distributed Automation Systems with Consideration of Non-Functional Requirements. In: Tagungsband der 17. Tagung "IEEE International Conference on Emerging Technologies and Factory Automation" (ETFA), Kraków, Poland, 17.-21. September 2012
K. Eckert, T. Hadlich, T. Frank, A. Fay, C. Diedrich, B. Vogel-Heuser
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Time as non-functional requirement in distributed control systems. In: Tagungsband der 17. Tagung "IEEE International Conference on Emerging Technologies and Factory Automation" (ETFA), Kraków, Poland, 17.-21. September 2012
T. Hadlich, S. Höme, C. Diedrich, K. Eckert, T. Frank, A. Fay, B. Vogel-Heuser
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Using contact points to integrate discipline spanning real-time requirements in modeling Networked Automation Systems for manufacturing systems. In: Tagungsband der 8. Tagung "IEEE International Conference on Automation Science and Engineering" (CASE), Seoul, Korea, 20.-24. August 2012, S. 812-817
T. Frank, T. Hadlich, K. Eckert, A. Fay, C. Diedrich, B. Vogel-Heuser
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Erweiterung des V-Modells® für den Entwurf von verteilten Automatisierungssystemen. In "at-Automatisierungstechnik”, Jahrgang 61 (2013), Heft 2, S. 79-91
T. Frank, K. Eckert, T. Hadlich, A. Fay, C. Diedrich, B. Vogel-Heuser
