Ein integriertes Steuerungsentwurfs- und Verifikationskonzept mit Hilfe interpretierter Petri-Netze:
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Düsseldorf
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1997
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| adam_text | Titel: Ein integriertes Steuerungsentwurfs- und Verifikationskonzept mit Hilfe interpretierter Petri-Netze
Autor: Jörns, Carsten
Jahr: 1997
FORTSCHRITTBERICHTE VM Dipl.-Ing. Carsten Jörns, Saarbrücken Ein integriertes Steuerungsentwurfs- und Verifikationskonzept mit Hilfe interpretierter Petri-Netze Reihe 8 : Meß-, Steuerungsund Regelungstechnik Nr. 641
Seite V Inhaltsverzeichnis Häufig verwendete Abkürzungen und Symbole...............................................................IX 1 Einleitung.............................................................................................................................1 1.1 Problemstellung.............................................................................................................1 1.2 Stand der Technik..........................................................................................................1 1.3 Zielsetzung dieser Arbeit...............................................................................................2 1.4 Übersicht über die vorliegende Arbeit..........................................................................4 2 Abgrenzung einer Steuerung.............................................................................................5 2.1 Steuerungen im Ebenenmodell der Automatisierungstechnik.......................................5 2.2 Darstellung einer Steuerung..........................................................................................7 2.2.1 Der Steuerungsbegriff.........................................................................................................7 2.2.2 Informationsfluß einer Steuerung......................................... 9 2.2.3 Standardisierte Darstellungsarten von Steueralgorithmen................................................10 2.3 Zusammenfassende Betrachtung.................................................................................12 3 Petri-Netze als Modellbasis für Steuerungen.................................................................15 3.1 Grundlagen der Petri-Netze.........................................................................................15 3.1.1 Grundgedanken des Petri-Netz-Konzepts.........................................................................15 3.1.2 Aufbau und Dynamik
von Petri-Netzen............................................................................15 3.1.3 Varianten der Petri-Netze..................................................................................................18 3.1.4 Gängige Strukturen von Petri-Netzen...............................................................................20 3.1.5 Algebraische Darstellung von Petri-Netzen......................................................................22 3.2 Analysemöglichkeiten für Petri-Netze........................................................................23 3.2.1 Ziele einer Petri-Netz-Analyse..........................................................................................23 3.2.2 Dynamische Eigenschaften der Petri-Netze.............................. 24 3.2.3 Graphentheoretische Analyse............................................................................................26 3.2.4 Algebraische Analyse........................................................................................................27 3.3 Syntaktische Erweiterungen der Petri-Netze...............................................................28 3.3.1 Notwendigkeit der syntaktischen Erweiterungen..............................................................28 3.3.2 Zeitbewertete Petri-Netze..................................................................................................29 3.3.3 Synchronisierte Petri-Netze...............................................................................................33 3.3.4 Interpretierte Petri-Netze (IPN)............................................................. 34
Seite VI Inhaltsverzeichnis 4 Steuerungsmodelle mit interpretierten Petri-Netzen....................................................37 4.1 Anforderungen an Steuerungsmodelle...................................................... 37 4.2 Semantik verschiedener Petri-Netze.......................................... 38 4.2.1 Semantikbegriff in bezug auf Petri-Netze.........................................................................38 4.2.2 Semantik bekannter Petri-Netz-Modelle...........................................................................38 4.2.3 Externer Informationsfluß.................................................................................................39 4.2.4 Semantik interpretierter Petri-Netze..................................................................................41 4.3 Technologisch interpretierte Petri-Netze.....................................................................42 4.3.1 Konkretisierung der Interpretation....................................................................................42 4.3.2 Korrektheitskriterien für IPN............................................................................................44 4.3.3 Formale Überprüfung eines IPN.......................................................................................47 4.4 Steuerungstechnisch interpretiertes Petri-Netz............................................................49 4.5 Normenkonformer Entwurf von SIPN-Steueralgorithmen.........................................50 4.6 Ereignisdiskrete Prozeßmodellierung..........................................................................51 4.7 Prozeßbezogen interpretiertes Petri-Netz....................................................................54 4.7.1 Festlegung der konkreten Interpretation............................................................................54 4.7.2 Systematische Erstellung transparenter
PIPN...................................................................54 4.7.3 Streckentypen und zugehörige charakteristische Teil-PIPN.................................... 58 4.7.4 Petri-Netz-Eigenschaften der PIPN...................................................................................61 4.8 Vergleich der PIPN mit bekannten IPN Prozeßmodellen...........................................63 4.8.1 Eine Vergleichsbasis.........................................................................................................63 4.8.2 Vergleichende Diskussion von Bild 4.6 und der IPN Prozeßmodelle a) bis c).................65 4.8.3 Resümee des Vergleichs....................................................................................................67 4.9 Bestandsaufnahme.......................................................................................................68 5 Gesamtmodell der Steuerung aus SIPN und PIPN........................................................69 5.1 Grundgedanke des Gesamtmodells.............................................................................69 5.2 Verfeinerte und externe Stellen...................................................................................70 5.3 Auflösen einfacher Schaltbedingungen.......................................................................71 5.3.1 Elementare Schaltbedingung.............................................................................................71 5.3.2 UND-Verknüpfung............................................................................................................72 5.3.3 ODER-Verknüpfung.........................................................................................................72 5.3.4 NICHT-Operation.............................................................................................................73
Ein integriertes Steuerungsentwurfs- und Verifikationskonzept mit Hilfe interpretierter Petri-Netze Seite VII 5.3.5 Mehrfach vorkommende Aktionen und Stellen mit mehreren Aktionen..........................74 5.4 Auflösen beliebiger Schaltbedingungen......................................................................77 5.5 Ereignisse und zeitbehaftete Vorgänge.......................................................................79 5.6 Funktionshierarchie.....................................................................................................80 5.7 Überblick über die Gesamtmodellmethoden...............................................................81 6 Analogien zwischen IPN und der Supervisory Control Theory ...................................83 6.1 Zum Nutzen der Theorie allgemeiner ereignisdiskreter Systeme................................83 6.2 Einführung in die Theorie der DES.............................................................................83 6.3 Supervisorbasierte Steuerung......................................................................................86 6.4 Der geschlossene Wirkungsweg der supervisorbasierten Steuerung..........................88 6.5 VDES als Erweiterung der DES..................................................................................88 6.6 VDES Generator..........................................................................................................89 6.7 VDES und IPN............................................................................................................91 6.8 Steuerbarkeit................................................................................................................93 6.9 Beobachtbarkeit...........................................................................................................94 6.10 IPN und das Gesamtmodell als Umsetzung der VDES Supervisory Control...........95 7 Verifikation
entworfener Steuerungen...........................................................................97 7.1 Prinzip und Methoden.................................................................................................97 7.2 Voranalyse...................................................................................................................98 7.2.1 Ergebnisse aus der Gesamtmodellbildung........................................................................98 7.2.2 Formale Überprüfung........................................................................................................99 7.3 Analytische Verifikation am Gesamtmodell.............................................................100 7.3.1 Hintergrund und Methoden der Analyse.........................................................................100 7.3.2 Korrektheitskriterien der IPN-Teile................................................................................101 7.3.3 Lebendigkeit....................................................................................................................104 7.3.4 Semipositive Invarianten.................................................................................................105 7.3.5 Sicherheit.........................................................................................................................106 7.4 Grenzen bei der Analyse zeitbewerteter Petri-Netze.................................................107 7.5 Performance-Analyse................................................................................................108 7.6 Zusammenstellung der Verifikationsmethoden.........................................................110
Seite VIII Inhaltsverzeichnis 8 Anwendungsbeispiel Fertigungsanlage.........................................................................113 8.1 Beschreibung der Fertigungsaufgabe........................................................................113 8.2 Strukturhierarchischer Entwurf.................................................................................114 8.3 Ein Konzept zum Entwurf flexibler Fertigungen......................................................116 8.4 Verifikation der beiden Entwürfe........................................... 119 8.5 Bewertung des integrierten Gesamtkonzepts............................................................121 9 Zusammenfassung...........................................................................................................123 10 Anhang...........................................................................................................................125 Anhang A - Der Action Control Block der Ablaufsprache.............................................125 Anhang B - Ein Beispielnetz...........................................................................................127 Anhang C - Beispiele zu Momentenerzeugenden MGF..................................................129 Anhang D - Zeitverläufe der AS-Zeitfunktionen............................................................134 Anhang E - Umsetzung der Zeitfunktion „Intervall“......................................................135 Anhang F - Umsetzung der gespeichert und zeitgesteuert ausgeführten AS-Aktionen.. 136 11 Literatur..................................................................................................... 137 Index. 145
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