Ferndiagnose dynamischer technischer Systeme
Zusammenfassung der Projektergebnisse
Das wissenschaftliche Ziel dieses Vorhabens lag in der Erarbeitung, Implementierung und Erprobung von modellbasierten Methoden zur Ferndiagnose ereignisdiskreter und hybrider dynamischer Systeme. Das Projekt beschäftigte sich mit Verfahren zur Ferndiagnose, bei der die Aufgabe der Fehlerdetektion durch die an der Anlage arbeitende Komponente (onboard) und die Aufgabe der Fehleridentifikation auf einer prozessfernen Komponente (offboard) gelöst wird. Entsprechend dem Arbeitsplan des Projektantrags gliederte sich das Arbeitsprogramm in sechs Arbeitsschritte, die durch experimentelle Erprobungen begleitet wurden. Die im Rahmen des Projekts erzielten Ergebnisse zu den ereignisdiskreten Systemen sind im Folgenden zusammengefasst. 1. Modellbildung fehlerbehafteter Systeme. Die Modellform der zeitbewerteten Automaten wurde so erweitert, dass auch das Systemverhalten unter der Wirkung von Fehlern beschrieben werden kann. Zudem wurde über den Arbeitsplan hinaus eine Enweiterung der ursprünglichen Modellform der zeitbewerteten Automaten mit einer Uhr auf die Modellform der zeitbewerteten Automaten mit einer beliebigen Anzahl von Uhren vorgenommen, die es ermöglicht, das Kommunikationsmedium ereignisdiskret zu modellieren. Die verwendete Modellform unterscheidet sich grundlegend von der in der Literatur vorgeschlagenen, denn Fehler werden nicht als unbeobachtbare Ereignisse, sondern als Parameter der Zustandsübergangsfunktion des Automaten dargestellt. Die entwickelte Modellform wurde für einen fertigungstechnischen Modellprozess angewednet, wobei auch die Unterschiede zur Modellierung mittels stückweise affiner Modelle, die im Karlsruher Teilprojekt verwendet wurde, herausgestellt wurden. Die Modellierung des Prozesses erfolgte sowohl für den fehlerfreien Fall als auch für neun Fehlerfälle. 2. Onboard-Diagnose. Für die Modellform der zeitbewerteten Automaten wurden konsistenzbasierte Diagnosemethoden zur Fehlerdetektion entwickelt, die unter den eingangs beschriebenen Randbedingungen auf der Onboard-Komponente angewendet werden können. Zur Steuerung der Datenübertragung zwischen der Onboard- und der Offboard-Komponente wurden zeitbewertete Detektionsautomaten eingeführt, mit deren Hilfe auf der Onboard-Komponente entschieden werden kann, wann es sinnvoll ist, Daten zur Offboard-Komponente zu übermitteln. Des Weiteren wurde zur Verringerung der zur Detektion notwendigen Onboard-Systemressourcen eine Methode zur Reduktion von zeitbewerteten Automaten entwickelt. Die experimentelle Erprobung der Onboard-Diagnose wurde erfolgreich an dem fertigungstechnischen Modellprozess durchgeführt. 3. Implementierung, Erprobung und Bewertung von Kommunikationswegen. Die im Projektantrag aufgeführten Ziele bezüglich der Untersuchung möglicher Kommunikationswege zwischen dem Onboard- und dem Offboard-Teil des Diagnosesystems wurden erreicht. Hierzu wurde zwischen den Instituten der Projektpartner eine Informationskopplung aufgebaut und die Eigenschaften verschiedener Kommunikationswege (DSL, Hochgeschwindigkeits-Netzwerk, etc.) quantitativ bewertet. Die experimentellen Ergebnisse bekräftigen die Notwendigkeit der Behandlung von Datenausfällen und Zeitverzögerungen in den Algorithmen der Fehleridentifikation auf der Offboard-Komponente. 4. Diagnostizierbarkeit ereignisdiskreter Systeme. Kriterien für die Diagnostizierbarkeit ereignisdiskreter Systeme zu finden, die durch zeitbewertete Modelle beschrieben sind, erwies sich als ein sehr schwieriges Problem, insbesondere für die im Schritt 1 entwickelte Modellform, bei der Fehler die Zustandsübergangsfunktion des Automaten verändern. Deshalb konzentrieren sich Diagnostizierbarkeitsuntersuchungen auf deterministische Automaten. Das Ergebnis ist eine Methode zur Ermittlung von Eingangsfolgen, für die Fehler detektierbar bzw. identifizierbar sind. 5. Offboard-Diagnose. Zur Offboard-Diagnose wurden konsistenzbasierte Fehleridentifikationsalgorithmen entwickelt, die zu Diagnoseergebnissen führen, die stets den im System aufgetretenen Fehler beinhalten. Die Ergebnisse der Diagnose werden in diesem Fall als vollständig bezeichnet. In der ersten Projektphase wurden zunächst Diagnosemethoden erarbeitet, die eine fehlerfreie Datenübertragung voraussetzen. Darauf aufbauend wurden im weiteren Verlauf des Projektes Methoden zur Fehleridentifikation untersucht, die auch bei einer unzuverlässigen Datenübertragung ein vollständiges Diagnoseergebnis liefern. Die Verfahren zur Offboard-Diagnose mittels zeitbewerteter Automaten wurden erfolgreich an der Fertigungszelle erprobt und mit den Diagnoseverfahren für stückweise affine Modelle verglichen. 6. Zusammenführung von Onboard- und Offboard-Diagnose. In diesem Arbeitsschritt wurden die Onboard- und die Offboard-Diagnose zu einem Ferndiagnosesystem kombiniert. Da die Offboard-Komponente zu Beginn der Offboard-Diagnose keine Informationen über das aktuelle Systemverhalten besitzt, bestimmen die entwickelten Offboard-Diagnosealgorithmen aus den übermittelten Ausschnitten der Eingangs-/Ausgangsfolge durch Beobachtung den aktuellen Systemzustand. Weiterhin wurde die Auswirkung einer unterschiedlichen Auswahl von zu übertragenden Messinformationen auf das Diagnoseergebnis untersucht. Im Rahmen der Untersuchungen bezüglich der Steuerung der Datenübertragung wurde zudem eine bidirektionale Kommunikation betrachtet, bei der das Offboard-Diagnoseergebnis an die Onboard-Komponente übertragen wird.
Projektbezogene Publikationen (Auswahl)
- Complexity Reduction of Remote Diagnosis of Discrete-Event Systems. In: Proceedings of the 17th International Symposium MTNS, Seiten 709-714, Kyoto, Japan, 2006
C. Fritsch und J. Lunze
- Diagnosis and Fault-Tolerant Control. Kapitel 8.5 Remote diagnosis of discrete-event systems, Seiten 427-435. Springer Verlag, Heidelberg, 2. Auflage, 2006
M. Blanke, M. Kinnaert, J. Lunze und M. Staroswiecki
- Rapid Control Prototyping mit MAT- LAB/Simulink und speicherprogrammierbaren Steuerungen. Automatisierungstechnische Praxis, 48(5);54-62, Mai 2006
C. Fritsch, J. Richter, T. Steffen und J. Lunze
- Remote Diagnosis of Discrete-Event Systems with On-Board and Off-Board Components. In: Proceedings of the 6th IFAC Symposium on Fault Detection, Supervision and Safety of Technical Processes (Safeprocess), Beijing, China, 2006
C. Fritsch, J. Lunze, M. Schwaiger und V. Krebs
- Ferndiagnose technischer dynamischer Systeme. In: Modellierung, Regelung und Simulation in Automotive und Prozessautomation: 4. ASIM Workshop Wismar, Wismar, 2008
T. Schlage und J. Lunze
- Data Communication Reduction in Remote Diagnosis of Discrete-Event Systems. In: Proceedings of the 7th IFAC Symposium on Fault Detection, Supervision and Safety of Technical Processes (Safeprocess), Barcelona, Spanien, 2009
T. Schlage und J. Lunze
- Determination of Distinguishing Input Sequences for the Diagnosis of Discrete-Event Systems. In: Proceedings of the 2nd IFAC Workshop on Dependable Control of Discrete Systems (DCDS), Bari, Italien, 2009
J. Lunze
- Diagnosability of Deterministic Automata. In: Proceedings of the 7th IFAC Symposium on Fault Detection, Supervision and Safety of Technical Processes (Safeprocess), Barcelona, Spanien, 2009
J. Lunze
- Vergleich zweier Methoden zur modellbasierten Ferndiagnose technischer Systeme. at-Automatisierungstechnik, 57(11 ):Seiten 539-551, 2009
T. Schlage, M. Schwaiger, V. Krebs und J. Lunze
- Modelling of Networked Systems for Remote Diagnosis. In: Proceedings of the Conference on Control and Fault-Tolerant Systems (SysTol), Nizza, Frankreich, 2010
T. Schlage und J. Lunze
- Remote Diagnosis of Timed I/O-Automata. In: Proceedings of the 21st International Workshop on the Principles of Diagnosis, Portland, USA, 2010
T. Schlage und J. Lunze
