Flexible dezentrale Automatisierungs- und Regelungssysteme auf Basis qualitativer Modelle und Ressourcen-schonender Agenten (AUREG - IAS)
Final Report Abstract
Ziel des Teilprojekts „AUREG-IAS“ war die Entwicklung agentenorientierter Methoden und Konzepte zur effizienten Softwareentwicklung für flexible dezentrale Automatisierungs- und Regelungssysteme mit geringen Rechnerressourcen, wie beispielsweise mikrocontrollerbasierte Steuergeräteverbunde. Die Herausforderungen lagen dabei in der hybriden, diskret-kontinuierlichen Dynamik der betrachteten Systeme, im Bedarf nach ressourcenschonenden Lösungen sowie in den hohen Anforderungen an die funktionale Sicherheit und Qualität der Systeme. Es wurde eine neue strukturierte Vorgehensweise zur effizienten Konzeption flexibler dezentraler Automatisierungs- und Regelungssysteme mit diskretem und kontinuierlichem Verhalten mit Hilfe agentenorientierter Methoden und qualitativer systemtheoretischer Modelle entwickelt. Diese Methode umfasst die Beschreibung von hybriden diskret-kontinuierlichen Agentenumgebungen. Als Grundlage dienten qualitative Modelle und das qualitative Modellierungsverfahren Situationsbasierte Qualitative Modellbildung und Analyse (SQMA), das bereits aus früheren Forschungsarbeiten am IAS bekannt war. Die Methode SQMA wurde um die Möglichkeit zur Abbildung von Wert- und Zeitkontinuität der SQMA-Modelle sowie die Notwendigkeit der systemtheoretischen Modellierung nach dem Vorbild der Regelungstechnik erweitert und in die Entwicklungsmethodik der allgemeinen agentenorientierten Analyse- und Entwurfsmethode MaSE integriert. Es wurde gezeigt, wie gängige dynamische Übertragungsglieder aus der Regelungstechnik als SQMA- Komponenten modelliert werden können und wie die Modellierung von Übertragungssystemen durch Verknüpfung dieser neu entwickelten SQMA-Komponenten (Übertragungsglieder) erfolgt. Die SQMA-Modelle wurden so angepasst, dass deterministische qualitative Voraussagen über das wert- und zeitkontinuierliche Verhalten der Komponenten bzw. der Systeme getroffen werden können. Das hierbei erarbeitete Konzept wurde anhand einer prädiktiven Füllstandsregelung für den IAS-Demonstrator "Drei-Tank-System" evaluiert. Die Entwicklung des IAS-Demonstrators "Drei-Tank-System" als dezentrales Automatisierungssystem umfasste den Entwurf und die Realisierung des Hardwareaufbaus (16-Bit-Mikrocontroller M16C/6N4, CAN-Bus Vernetzung) inklusive der Entwicklung einer Treiber-Platine zur Ansteuerung der Aktorik. Des Weiteren wurde eine Steuerungssoftware entwickelt, die die Regelung der Tankfüllstände übernimmt. Um die beschränkten Rechnerressourcen von verteilten eingebetteten Automatisierungssystemen zu berücksichtigen, wurde eine Softwaretechnologie zur komponentenbasierten Umsetzung verlässlicher und ressourcenschonender agentenorientierter Architekturen mit leichtgewichtigen Agentensystemen ohne Einsatz einer ressourcenintensiven zentralen Agentenplattform entwickelt, welche dem Agentensystem Dienste, wie die Agentenverwaltung, Kommunikationsdienste oder Systemschnittstellen bereitstellt. Diese Dienste wurden anwendungsabhängig direkt in die einzelnen Softwareagenten integriert. Die Entwicklung von Entwurfsmustern und Entwurfsrichtlinien zur Gewährleistung funktionaler Sicherheitseigenschaften und dynamischer Qualitätseigenschaften, wie beispielsweise die Einhaltung von Stabilitätsanforderungen, diente dazu, die hohen Sicherheitsanforderungen an agentenorientierte Automatisierungssysteme umzusetzen und dauerhaft zu gewährleisten. Es wurden spezifische Entwurfsmuster samt zugehörigen Entwurfsrichtlinien für Softwareagenten identifiziert, um beispielsweise bei Nichteinhaltung von Sicherheitsanforderungen, die Überführung des Automatisierungssystems in einen sicheren Zustand zu erzwingen. Die Realisierung einer flexiblen Prozessüberwachung ist ein wesentliches Ergebnis der durchgeführten Arbeiten. Die Evaluierung der im Teilprojekt „AUREG-IAS“ erzielten Ergebnisse erfolgte durch einen direkten Vergleich der in MATLAB/Simulink modellierten Regelstrecken mit real existierenden Reglern, sowie agentenorientierten Reglern, basierend auf SQMA. Ausgehend von den erreichten Ergebnissen ergeben sich Möglichkeiten für künftige Arbeiten: Erstellung einer Komponentendatenbank und Erweiterung um wiederverwendbare Softwarekomponenten: Zur effizienten Erstellung von Softwareagenten für Anwendungen der Regelungstechnik ist es sinnvoll, eine Komponentendatenbank mit häufig benötigten Softwarekomponenten, inklusive grafischer Benutzungsoberfläche, zur Verfügung zu stellen. Dies würde dem Anwender ein Baukastensystem zur Anpassung oder Entwicklung neuer Agententypen zur Verfügung stellen und damit die Entwicklungszeit verkürzen. Sicherstellung von Interoperabilität: Zur Erweiterung der prototypischen Realisierung eines Agentensystems auf Mikrocontrollerbasis ist die Entwicklung von Schnittstellen zu weiteren Agentenplattformen, sowohl PC-basiert als auch mikrocontrollerbasiert, vorteilhaft. Hier ergeben sich Vorteile, wie z. B. die Möglichkeit zur Auslagerung rechenintensiver Prozesse von Mikrocontrollern auf PC- basierte Technologieplattformen. Repräsentation und Verarbeitung regelungstechnischer Modelle in eingebetteten Systemen: Im Rahmen der Arbeit wurde festgestellt, dass zusammenhängende regelungstechnische Modelle zur Verarbeitung in einem verteilten mikrocontrollerbasierten System, z. B. zur Verteilung der Rechenlast, aufgeteilt werden müssen. Dies begründet sich zum einen in der strukturellen Verteilung des Systems und zum anderen in der funktionalen Verteilung der Regelungsaufgaben. Hier ist es wünschenswert, eine Methodik zu entwickeln, die eine Aufteilung komplexer regelungstechnischer Modelle nach vorgegebenen Kriterien ermöglicht. Erweiterung des Vorhersagehorizonts von Regelungssystemen durch den Einsatz von Softwareagenten mit prädiktiven Fähigkeiten: Die Möglichkeit, Softwareagenten zur Realisierung vorausschauender Regelungsverhalten einzusetzen, wurde aus verschiedenen Perspektiven untersucht. Vorteilhafte Realisierungen entstehen durch die Erweiterung des Agentensystems um einen Agententyp, der die Mittlerrolle zwischen Softwareagenten zur Informationsgewinnung bzw. Messwertermittlung und Softwareagenten, die mit der Regelung des Systems beauftragt sind, übernimmt. Softwareagenten dieses neuen Typs verfügen über ein (Teil-)Modell des technischen Prozesses und bilden, basierend auf gespeicherten historischen Daten des ausgeführten technischen Prozesses, Steuergrößen zur vorausschauenden Regelung. Entwicklung rechnergestützter Werkzeuge: Auf Basis der im Rahmen der Arbeit entwickelten Methoden und Konzepte können rechnergestützte Werkzeuge entwickelt werden. Diese sollen den Entwurf verlässlicher, ressourcenschonender Agentensysteme auf Basis qualitativer und quantitativer systemtheoretischer Modelle ingenieurgerecht unterstützen. Um einen einfachen und praxisgerechten Einsatz von Agentensystemen zu ermöglichen, sind darüber hinaus auch Basisdienste für Agentensysteme, beispielsweise in Form verlässlicher Agentenlaufzeitumgebungen erforderlich. Mikrocontrollerbasierte Agentensysteme als flexible Middleware in der Automatisierungstechnik: Softwareagenten und Middleware zählen mittlerweile zu den etablierten Technologien im Umfeld der Automatisierungstechnik. Basierend auf den erreichten Ergebnissen lässt sich eine, mit Eigenschaften der Agententechnologie erweiterte Middleware, als flexible Datendrehscheibe, sowohl für Aufgaben der Prozessführung als auch zur Informationsgewinnung auf der Feldebene realisieren. Mikrocontrollerbasierte Softwareagenten bieten anpassbare Schnittstellen zum Lesen und Schreiben über diverse Protokolle der Automatisierungstechnik. Middleware repräsentiert die Softwareschicht zur Bereitstellung grundlegender Funktionalitäten, wie z. B. Kommunikationsmechanismen und die Abbildung von Arbeitsflüssen.
Publications
- Developing Flexible Software Using Agent-Oriented Software Engineering. IEEE Software, Issue No. 5 - September/October 2008
Mubarak, H.
- An internal model principle for synchronization. In Proc. 7th IEEE Int. Conf. Control and Automation, Seiten 285–290, 2009
Wieland, P.; Allgöwer, F.
- Modellierung und Steigerung der Güte von Qualitätsregelkreisen - Quality Control Modeling Language (QMOLA) als neues Werkzeug. In: Zeitschrift für wirtschaftlichen Fabrikbetrieb, Heft 12/09, Carl Hanser Verlag GmbH & Co. KG, München, 2009
Schick, M.; Mubarak, H.; Haueis, M.
- Flexible Industrial Automation and Control Systems Based on Qualitative Models and Software Agents, 22nd International Conference on System Research, Informatics & Cybernetics (InterSymp-2010), Baden-Baden, 2010
Pech, S.; Göhner, P.
- Prozessautomatisierung flexibel überwachen. Ein agentenorientierter Ansatz. In: atp edition, Heft 05/2010, S. 52-60, Oldenbourg Verlag, 2010
Pech, S.; Wedel, M.; Göhner, P.
- Flexible dezentrale Automatisierungs- und Regelungssysteme auf Basis von Softwareagenten, 45. Regelungstechnisches Kolloquium, Boppard, 2011
Pech, S.; Göhner, P.
