[論文レビュー] A Framework for the Implementation of Industrial Automation Systems Based on PLCs

Kleanthis Thramboulidis|arXiv (Cornell University)|Feb 17, 2014

Flexible and Reconfigurable Manufacturing Systems参考文献 45被引用数 8

ひとこと要約

この論文は、オブジェクト指向のIEC 61131-3、高レベルの抽象化のためのSysML/UML、およびサイバーフィジカル統合のためのIoTを統合した産業自動化システム（IAS）のシステム工学フレームワークを提案する。モデルベース設計および現代的なソフトウェア工学手法を活用することで、従来の逐次的アプローチと比較して、より柔軟でスケーラブルかつ最適化されたIAS開発が可能になる。

ABSTRACT

Industrial automation systems (IASs) are traditionally developed using a sequential approach where the automation software, which is commonly based on the IEC 61131 languages, is developed when the design and in many cases the implementation of mechanical parts have been completed. However, it is claimed that this approach does not lead to the optimal system design and that the IEC 61131 does not meet new challenges in this domain. In this paper, a system engineering process based on the new version of IEC 61131, which supports Object Orientation, is presented. SysML and UML are utilized to introduce a higher layer of abstraction in the design space of IAS and Internet of Things (IoT) is considered as an enabling technology for the integration of Cyber and Cyber-physical components of the system, bringing into the industrial automation domain the benefits of these technologies.

研究の動機と目的

• 産業自動化システム（IAS）における従来の逐次的開発の限界、特にソフトウェアが設計サイクルの後期に実装される点を是正すること。
• 現代のシステム複雑性および統合要件に対応できないIEC 61131規格の欠陥を克服すること。
• より高い抽象化と設計の明確化を実現するため、SysMLおよびUMLを用いたモデルベースのシステム工学プロセスの導入。
• サイバーフィジカルシステム（CPS）およびIoT技術をIASに統合し、相互運用性とリアルタイム制御を向上させること。
• オブジェクト指向の原則をPLCプログラミングに適用することで、早期のソフトウェアとハードウェアの共同設計を可能にし、最適なシステム設計を実現すること。

提案手法

• 構造的で再利用可能かつ保守性の高いPLCコードを実現するため、IEC 61131-3のオブジェクト指向拡張を採用する。
• SysMLおよびUMLを用いて、システムアーキテクチャ、動作、相互作用をより高い抽象レベルでモデル化する。
• IoT技術を統合し、IASにおけるサイバーおよびフィジカルコンponents間の通信と連携を可能にする。
• モデルベース設計を用いて、システム設計と低レベルの実装を分離し、早期の検証と検証を可能にする。
• concurrently engineering を支援し、設計欠陥の早期特定を可能にするシステム工学プロセスを定義する。
• 標準化された変換ルールおよびツールを用いて、高レベルのモデルを実行可能なPLCコードにマッピングする。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 IEC 61131-3のオブジェクト指向原則は、産業自動化システムの設計および保守性をどのように向上させるか？
• RQ2 SysMLおよびUMLは、IASのアーキテクチャおよび動作モデリングの抽象化と明確化をどの程度向上させるか？
• RQ3 IoT技術は、従来のPLCベースの自動化システムにどのように効果的に統合可能か？ これにより、サイバーフィジカルシステム機能が実現されるか？
• RQ4 モデルベースのシステム工学アプローチは、逐次的アプローチと比較してIASの開発期間を短縮し、システム品質を向上させられるか？
• RQ5 従来の逐次的IAS開発から、モデル駆動型でオブジェクト指向的かつIoT対応のフレームワークへの移行における主な課題は何か？

主な発見

• 本フレームワークにより、逐次的開発から concurrently engineering へのシフトによって、産業自動化システムのより体系的かつ最適な設計が可能になった。
• オブジェクト指向のIEC 61131-3の統合により、PLCベースのシステムにおけるコードの再利用性、モularity、保守性が向上した。
• SysMLおよびUMLモデルは、より高いレベルの抽象化を提供し、システム理解を向上させ、ステークホルダー間のコミュニケーションを容易にした。
• IoT統合により、サイバーとフィジカルコンponents間のシームレスなデータ交換と連携が可能になり、システムの応答性とスケーラビリティが向上した。
• モデルベース開発により、早期の検証と検証が可能となり、後段の設計エラーが削減された。
• 定量的性能指標は報告されていないが、改訂版は図の修正がコアな結果や結論に影響を及ぼさないことを確認している。