TU Braunschweig

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Lemmer, K.:
Diagnose diskret modellierter Systeme mit Petrinetzen.
Dissertation, Technische Universität Braunschweig, Institut für Regelungs- und Automatisierungstechnik, VDI Verlag Düsseldorf, 1995.

Kurzfassung:

Nicht zuletzt durch den stetig härter werdenden Wettbewerb auf dem Weltmarkt wird eine kontinuierliche Innovationsbereitschaft gefordert. Die sich hierdurch ergebenden technischen Aufgabenstellungen werden zudem immer umfangreicher, und die Innovationszyklen verkürzen sich kontinuierlich. Ebenso gilt für die Konkurrenzfähigkeit kapitalintensiver Produktionsmittel, dass ein hoher Nutzungsgrad dieser Anlagen eine essentielle Bedeutung bekommt. Die Realisierung eines hohen Nutzungsgrades wird zum einen versucht, indem die organisatorischen Störungen in einem Betrieb durch Automatisierungen des Informations-, Energie- und Materialflusses kontinuierlich abgebaut werden. Auf der anderen Seite ist jedoch ein Anstieg der technischen Störungen zu beobachten.

Diesen Anforderungen der Störungsminimierung steht nach [VDI4001] die "erschwerte Durchschaubarkeit einer komplexer werdenden Technik entgegen, bei welcher die üblichen Methoden zur Versagungsvorsorge, wie beispielsweise Qualitätskontrollen, Überdimensionierung und Funktionsüberwachung nicht zum erwarteten Erfolg führen." Nach [Viswanadham/Johnson88] wird geschätzt, dass Ausfälle 15% der Produktivität kosten. Ebenso werden laut [Müller/Tremba86] die Stillstandszeiten bei Fertigungseinrichtungen "immer teurer und übersteigen oftmals die Anschaffungskosten der installierten Automatisierungsgeräte".

Daher ist es notwendig, Maßnahmen zur Erhöhung der Verfügbarkeit technischer Systeme zu ergreifen. Hierzu sind verschiedene Ansätze denkbar. Zum einen kann durch die Verwendung von Komponenten mit hoher Einzelverfügbarkeit das Auftreten von Fehlern vermindert werden, zum anderen können Systeme fehlertolerant gestaltet werden, was z.B. durch die Verwendung von Redundanzen realisierbar ist. Problematisch dabei ist, dass die Vorhaltung eines kompletten redundanten Fertigungssystems eine unpraktikable Kapitalbindung bedeuten würde. Oftmals bezieht sich daher die Redundanz auf die entsprechenden Steuerungs- und Leitsysteme. Es ist jedoch zu beachten, dass zwischen 90 und 98% aller Störungen nicht in der Steuerung sondern in dem Prozess auftreten ([Müller/lost8?], [Hartmann88], [Grötsch89], [Schmitzer91] u.a.).

Da sich Fehler und Störungen nicht grundsätzlich vermeiden lassen, sind die Möglichkeiten zur Verkürzung von, durch die Störungen bedingten, Stillstandszeiten von essentieller Bedeutung. Hierbei ergeben sich jedoch zwei grundsätzliche Probleme.

Zum einen wird mit der ansteigenden Komplexität die Möglichkeit, Fehler frühzeitig zu erkennen und zu lokalisieren, zunehmend schwieriger. Hinzu kommt, dass durch steigende Personalkosten der Automatisierungsgrad in der Fertigung erhöht wird. D.h. die Wartungspersonalkapazität nimmt ab, wobei noch erschwerend hinzu kommt, dass auf Grund der steigenden Komplexität dem einzelnen Wartungstechniker nicht alle verschiedenen Anlagen bis ins Detail bekannt sind. Dies bedeutet, dass im Fehlerfall oftmals eine langwierige Verfolgung von Signalen und Abläufen notwendig ist, bevor der Fehler isoliert werden kann.

Um dieser Problematik zu begegnen, kommen mehr und mehr Diagnosesysteme zum Einsatz. Globale Ziele sind neben der Schadensfrüherkennung und der Vermeidung von Folgeschäden, dass die Reparaturzeiten deutlich verkürzt werden, um somit die Verfügbarkeit und folgerichtig die Produktivität zu erhöhen.

Zum anderen wirft der Entwurf eines Diagnosesystems weitere Fragestellungen auf. Neben der Gewährleistung der Vollständigkeit sind bei konventioneller Vorgehensweise die zusätzlichen Engineeringkosten problematisch. Hierbei wäre es wünschenswert, Strukturen und Daten, die bei dem Entwurf des Steuerungssystems anfallen auch für das Diagnosesystem als Basis. weiter zu verwenden. Die sich daraus ableitende Gesamtkonzeption für den - in Teilen automatisierbaren - Entwurf von Automatisierungssystemen wird im folgenden 2. Kapitel kurz vorgestellt.

Im 3. Kapitel wird eine globale Bestandsaufnahme der Diagnose in der Automatisierungstechnik durchgeführt. Neben begrifflichen Klärungen werden die Anforderungen an ein Diagnosesystem formuliert. Anschließend wird der Stand der Technik in Form einer Klassifikation von Diagnoseverfahren kompakt dargestellt. Abschließend wird in diesem Kapitel auf die Probleme beim Einsatz von Diagnosesystemen eingegangen.

Im 4. Kapitel werden dann die Grundlagen für ein neues Diagnoseverfahren auf der Basis einer ereignisdiskreten Beschreibung gelegt. Nach einer kurzen Einführung in die Petrinetze als hierfür geeignetes Beschreibungsmittel werden detailliert neue Ansätze zur Zeitbewertung von Petrinetzen betrachtet. Der in dieser Arbeit neu definierten Form der Zeitbewertung von Petrinetzen kommt Eine besondere Bedeutung zu, da bei dieser Fo11ll die Analysemöglichkeiten kausaler Netze direkt auf die der zeitbewerteten übertragen werden können.

Darauf aufbauend werden im 5. Kapitel die Möglichkeiten der Diagnose von ereignisgesteuerten Systemen mit Petrinetzen dargestellt. Es wird ausführlich auf die Erfüllung der in Kapitel 3 aufgestellten Anforderungen an ein Diagnosesystem für die Klasse der "discret event dynamic systems ([Ho91], [Ho92], [Ho93], [Cassandras93])" bei der Verwendung von Petrinetzen eingegangen.

Eine durchgeführte Implementierung wird konzeptionell im 6. Kapitel präsentiert. Die Implementierungsmöglichkeiten werden exemplarisch für eine speicherprogrammierbare Steuerung anhand von Hard. und Softwarekonzepten erläutert. Ebenso werden Möglichkeiten der Datenreduktion bei dem vorgeschlagenen Ansatz vorgestellt, um auch komplexe Systeme in Echtzeit behandeln zu können.

Eine Betrachtung hinsichtlich der Leistungsfähigkeiten und der Grenzen dieses neuen Verfahrens der Diagnose, unter Verwendung von zeitbewerteten Petrinetzen, erfolgt im 7. Kapitel.

Das 8. Kapitel beinhaltet eine Zusammenfassung sowie einen abschließenden Ausblick auf einige Erweiterungsmöglichkeiten des neuen, auf Petrinetzen basierenden, Diagnoseverfahrens.


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