Μοντελοποίηση και έλεγχος βιομηχανικών συστημάτων: με χρήση γενικευμένων αυτομάτων

Abstract

In this work Global Automata are introduced as a new method offering the convenience of modelling various types of industrial systems without any restrictions on systems properties. Their structure has common characteristics with several types of automata, such as the control graph with a finite set of states and transitions between those states. Global automata can be used for modelling hybrid systems handling both discrete and real valued variables combining flow, invariant and guard conditions from hybrid automata, with clock constraints and delayed inputs from timed and PLC automata. In addition, new modelling parameters as reset table at each transition and hierarchical classification of executable events at each state are introduced. Application independence derives from the fact that they are a super-set of every other type of automata and hence are less application depended compared to any of them. Based on Global Automata some tools were developed in order to increase their modelling power. First tool is the ability of state aggregation which generally means the merging of two or more states in order to produce a new super-state. State aggregation is a powerful tool to avoid state space expansion. The second developed tool is automata composition and is mainly used in cases where ad-hoc modelling is not a practical solution, since it allows the construction of large system model using simple models of all system’s components. Finally, global automata allow the development of hierarchical models, consisting of two or more automata. In such case, the automaton of the higher level has the role of supervisor feeding the automata of lower level with data, reference values etc. Two implementation tools for programming industrial controllers are also presented. The first tool is a synthesis tool for translating a global automaton into executable code of a programming language (i.e. C, Matlab). Tool usage is important for simulation and verification but is not limited on this. Contemporary industrial systems are equipped with Supervisory Control and Data Acquisition Systems (SCADA), which have embedded functions of running code. Consequently, an industrial system modelled as a global automaton can be controlled by the executable code running in a SCADA station. But, in industry the dominant controller is the Programmable Logic Controller, which is a special aim computer suitably built for the application control tasks. The IEC 61131-3 Programming Norm describes all the well-known languages for programming PLCs and the second tool is a synthesis tool for implementing global automata in PLCs based on this programming norm. Global automata as a modelling method and all the above mentioned tools are illustrated through representative examples. The presented examples are either theoretical or real systems implemented in the laboratory or even real production systems.

Κύριος στόχος της παρούσας διατριβής ήταν να συμβάλλει στην συστηματοποίηση του έργου του Ηλεκτρολόγου Μηχανικού όταν αναλύει, μοντελοποιεί και σχεδιάζει τον έλεγχο ενός βιομηχανικού συστήματος. Για την μοντελοποίηση βιομηχανικών συστημάτων έχουν προταθεί διάφορες μέθοδοι, όπως τα δίκτυα Petri και όλες οι μορφές αυτομάτων ελέγχου. Τα αυτόματα αποτέλεσαν την βάση για την δημιουργία μιας νέας μεθόδου μοντελοποίησης στα πλαίσια της παρούσας διατριβής. Τα Γενικευμένα Αυτόματα (Global Automata), όπως ονομάστηκε η νέα μέθοδος, δανείζονται χαρακτηριστικά από τις διάφορες προϋπάρχουσες μορφές αυτομάτων, ενώ εισαγάγουν νέες παραμέτρους μοντελοποίησης ώστε να καλύψουν τις όποιες ανάγκες των σύγχρονων βιομηχανικών συστημάτων. Βάσει της μεθόδου αναπτύχθηκαν διάφορα εργαλεία με στόχο την αύξηση της δύναμης μοντελοποίησης της. Το πρώτο εργαλείο περιλαμβάνει μια συστηματοποιημένη τεχνική συγχώνευσης καταστάσεων ενός μοντέλου και αποσκοπεί στον περιορισμό της υπέρμετρης αύξησης του γράφου καταστάσεων, ο οποίος σε περιπτώσεις μεγάλων συστημάτων μπορεί να φτάσει τις δεκάδες χιλιάδες καταστάσεις. Το δεύτερο εργαλείο που αναπτύχθηκε, αποτελεί την σύνθεση αυτομάτων με στόχο την δημιουργία ενός νέου αυτομάτου που έχει την ίδια ακριβώς συμπεριφορά με τα αρχικά. Η σύνθεση επιτρέπει την δημιουργία μοντέλου ακόμα και ενός συστήματος υψηλής πολυπλοκότητας, μέσω σύνθεσης των μοντέλων όλων των υποσυστημάτων του. Τέλος, τα γενικευμένα αυτόματα επιτρέπουν την δημιουργία ιεραρχικών μοντέλων που αποτελούνται από πλήθος αυτομάτων ιεραρχικά δομημένων. Σε αυτή την περίπτωση το αυτόματο του ανωτέρου επιπέδου έχει τον ρόλο του επόπτη-συντονιστή και τροφοδοτεί τα αυτόματα του κατώτερου επιπέδου με δεδομένα, τιμές αναφοράς κτλ. Αναφορικά με τον προγραμματισμό των βιομηχανικών ελεγκτών που θα επωμιστούν τον έλεγχο της διεργασίας παρουσιάζονται δύο εργαλεία παραγωγής κώδικα από ένα γενικευμένο αυτόματο. Το πρώτο εργαλείο παρουσιάζει συστηματικά τα βήματα μετατροπής ενός αυτομάτου σε εκτελέσιμο κώδικα μιας γλώσσας προγραμματισμού υψηλού επιπέδου. Η χρησιμότητα είναι σημαντική κατά την διάρκεια εξομοίωσης ενός μοντέλου και επαλήθευσης της ορθής λειτουργίας του ελεγκτή, αλλά όχι μόνο. Οι σύγχρονες βιομηχανίες είναι εξοπλισμένες με Σταθμούς Εποπτικού Ελέγχου και Συλλογής Πληροφοριών (SCADA) οι οποίοι στην πλειονότητά τους φέρουν ενσωματωμένη δυνατότητα εκτέλεσης κώδικα σε μια γλώσσα υψηλού επιπέδου. Με εκτέλεση του παραγόμενου, από το εργαλείο, κώδικα σε λογισμικό SCADA, μπορεί να επιτευχθεί και έλεγχος του συστήματος. Βέβαια, ο επικρατέστερος τύπος ελεγκτή παραμένει το Προγραμματιζόμενος Λογικός Ελεγκτής, λόγω των ιδιαίτερων χαρακτηριστικών που διαθέτει και υπερισχύει συγκριτικά με τις εναλλακτικές προσεγγίσεις. Η υλοποίηση των γενικευμένων αυτομάτων σε PLC επιτυγχάνεται μέσω του δεύτερου εργαλείου, το οποίο δημιουργήθηκε με βάση το διεθνές πρότυπο IEC 61131-3 και περιγράφει όλα τα συστηματικά βήματα που πρέπει να ακολουθήσει ο μηχανικός για να υλοποιήσει την στρατηγική ελέγχου, που εμπεριέχει ένα γενικευμένο αυτόματα, σε ένα PLC. Το πρότυπο IEC 61131-3 περιλαμβάνει ένα σύνολο πέντε γλωσσών και το εργαλείο σύνθεσης τις περιλαμβάνει όλες δίνοντας κατάλληλες κατευθύνσεις υλοποίησης με βάση τα ιδιαίτερα χαρακτηριστικά της καθεμιάς. Η παρουσίαση των γενικευμένων αυτομάτων και των εργαλείων που αναπτύχθηκαν ολοκληρώνεται μέσω παραδειγμάτων χρήσης. Οι παρουσιαζόμενες εφαρμογές αποτελούν είτε θεωρητικά συστήματα για επεξήγηση, είτε πραγματικές εφαρμογές υλοποιημένες ως εργαστηριακές διατάξεις ή ως πραγματικά συστήματα παραγωγής.