Research Group Computational Engineering & Automation (CEA), Hochschule Wismar - University of Technology, Business & Design

Diplomarbeit

Modellierung, Simulation und Steuerung von Materialflusssystemen
mit Zustandsautomaten


1. Betreuer:
2. Betreuer:
3. Betreuer: 		Prof. Dr.-Ing. Thorsten Pawletta
Prof. Dr.-Ing. Sven Pawletta
Dr.-Ing. Wolfgang Drewelow
  Gunnar Maletzki, Matrikel M99  

Einleitung

Die Planung und Steuerung von Materialflusssystemen in der produzierenden Wirtschaft unterliegt zahlreichen Faktoren. Ein Materialflusssystem, z.B. eine Produktionsanlage, muss flexibel und kostengünstig sein, um eine kundenorientierte Produktion zu gewährleisten. Für die Umsetzung dieser Anforderungen werden heute Simulationsmodelle eingesetzt, mit denen der Produktionsprozess abgebildet wird. Der Entwurf der Simulationsmodelle erfolgt in zwei Phasen.
  • 1. Phase: Erstellung eines Planungssimulationsmodells
  • 2. Phase: Erstellung eines Steuerungsmodells
Mit dem Planungssimulationsmodell werden Schlussfolgerungen hinsichtlich der Struktur des Materialflusssystems formuliert. Die Simulation des Steuerungsmodells wird entkoppelt, als Offline-Kopplung, vom realem Prozess durchgeführt und liefert als Ergebnis geeignete Steuerungsstrategien für den Materialflussprozess.

Problemstellung

Bei plötzlichen Veränderungen des realen Prozesses, wie z.B. beim Ausfall einer Bearbeitungsmaschine erweist sich die beschriebene Methode als nachteilig. In diesem Fall muss das Steuerungsmodell aktualisiert werden, um eine neue Steuerungsstrategie zu formulieren.

Zielstellung

Um den Programmieraufwand bei der Erstellung der Simulationsmodelle zu vermindern, ist der Modellansatz der prozessgekoppelten Simulation entwickelt worden, dessen Schwerpunkt die Erweiterung der Modellkomponenten der Planungssimulation um eine Prozessschnittstelle ist.
Somit ist die Steuerung des realen Materialflussprozesses realisierbar. Das Simulationsmodell wird als Online-Kopplung zum realen Prozess eingesetzt und verbessert aufgrund der Reaktionsmöglichkeiten bei eintretenden Störungen die Prozessführungsqualität.
Gegenstand der Diplomarbeit ist eine Prototypimplementierung zur Steuerung eines experimentellen Materialflusssystems mit prozessgekoppelter Simulation mit Zustandsautomaten auf der Basis von Matlab/Stateflow®.

Ereignisorientierte Modellierung mit Zustandsautomaten auf der Basis von Matlab/Stateflow®

Stateflow® ist eine Erweiterung von Simulink® zur Modellierung und Simulation endlicher Zustandsautomaten.
   Abbildung 1:
   Interaktion Matlab®,
   Simulink®
   und Stateflow®

Zustandsautomaten werden in Stateflow® durch Zustandsübergangsdiagramme dargestellt, die in ein Simulink® Modell eingefügt werden. Das Zustandsübergangsdiagramm fungiert dort wie ein Subsystem, welches mit dem umgebenen Simulink® Modell und dem Matlab® Workspace in Form von Datenaustausch interagieren kann.


Abbildung 2: Zustandsübergangsdiagramm in Stateflow®

 Ein Zustandsübergangsdiagramm besteht im Wesentlichen aus Zuständen und Transitionen.
Ein Zustand kann in Abhängigkeit von Ereignissen und Bedingungen grundsätzlich entweder
aktiv oder inaktiv sein. Die Zustände werden durch Zustandsbergänge, den Transitionen,
verbunden. Zustände besitzen eine Beschriftung, die aus dem Zustandsnamen und Aktionen
besteht. Die Definition von Aktionen ist optional und sie können wahlweise durch die
Schlüsselwörter entry, during, exit und on event_name eingeleitet werden.
Die Beschriftung der Transitionen besteht aus Ereignissen und Bedingungen, die erfüllt sein
müssen, um eine Transition einzuleiten. Bevor eine Transition auf ihre Gültigkeit geprüft werden
kann, muss jedoch das Quellobjekt aktiv sein. Eine gültige Transition inaktiviert das
Quellobjekt und setzt das Zielobjekt aktiv.

Modellbildung

Das zu untersuchende Materialflusssystem stellt einen Ausschnitt aus einer real existierenden Produktionsanlage dar und wurde für Experimentierzwecke als Schienensystems umgesetzt. Auf dem Schienensystem bewegen sich mit Dauermagneten bestückte Digitalloks, die im Schienenbett eingearbeitete Reedkontakte schalten können. Diese Schaltvorgänge werden dann als Sensorsignale ausgewertet. Die Digitalloks können einzeln angesteuert werden und fungieren als Fördereinheiten.


Abbildung 3: Aufbau des zu untersuchenden Materialflusssystems mit Sensorplan

Planungssimulationsmodell

Für die Planungssimulation wurde ein hardwareunabhängiges Modell des realen Materialflusssystems implementiert. Das Planungssimulationsmodell setzt sich aus den einzelnen Logiken der Materialflusskomponenten zusammen, die mit Zustandsautomaten auf der Basis von Matlab/Stateflow® programmiert wurden. Die Bewegung der Fördereinheiten wird durch Transportzeiten simuliert. Die Validierung des Planungssimulationsmodells konnte anschließend mittels einer Visualisierung durchgeführt werden.

Prozessgekoppeltes Simulationsmodell

Für die prozessgekoppelte Simulation ist eine Erweiterung der Materialflusskomponenten des Planungssimulationsmodells um eine Prozessschnittstelle erforderlich. In Abbildung 4 wird diese Erweiterung exemplarisch für die Bedienungsstation 1 dargestellt. Die Prozessschnittstelle wurde als Zustandsautomat mit Matlab/Stateflow® ausgeführt und ermöglicht das Auslesen von Sensoren und das Ansprechen von Aktoren. Bezogen auf das gesamte Materialflussmodell der prozessgekoppelten Simulation (siehe Abb. 5) ist somit die Steuerung des realen Materialflussprozesses realisierbar. Die Zustandswerte der einzelnen Materialflusskomponenten werden von einer übergeordneten Steuerungslogik ausgewertet und anschließend werden Steuerungssignale zurückgegeben.


Abbildung 4: Erweiterung der Materialflusskomponenten der Planungssimulation (High Level) um eine Prozessschnittstelle (Low Level)


Abbildung 5: Materialflussmodell der prozessgekoppelten Simulation

Zusammenfassung und Ausblick

Die Eignung des prozessgekoppelten Simulationsmodells für die Steuerung des realen Materialflussprozesses auf der Basis von Matlab/Stateflow® konnte durch ausgiebiges Testen nachgewiesen werden. Außerdem bietet die Programmierung mit Zustandsautomaten zahlreiche Vorteile. Insbesondere Übersicht und Verständlichkeit werden durch die graphische Programmierung erhöht.
Bedenklich ist jedoch der Einsatz des Personalcomputers für Steuerungsaufgaben hinsichtlich der Sicherheit, Langzeitverfügbarkeit und der Wiederanlauffähigkeit. Perspektiven liefern jedoch die Entwicklungen im Bereich der SCADA (Supervision,Control And Data Acquisition) Systeme. Die prozessgekoppelte Simulation von Materialflusssystemen kann somit als zukünftiges Anwendungsgebiet der SCADA Systeme verstanden werden.


Gunnar Maletzki
email: g.maletzki@stud.hs-wismar.de