[论文解读] 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 8

一句话总结

本文提出了一套面向工业自动化系统（IAS）的系统工程框架，整合了面向对象的IEC 61131-3、用于高层抽象的SysML/UML，以及用于信息物理融合的物联网（IoT）技术。通过采用基于模型的设计与现代软件工程实践，该框架相较于传统的顺序开发方法，能够实现更灵活、可扩展且更优的IAS开发。

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.

研究动机与目标

• 为解决传统顺序开发方法在工业自动化系统（IAS）中软件实现滞后于设计周期后期的问题。
• 克服IEC 61131标准在应对现代系统复杂性与集成需求方面的不足。
• 引入基于SysML和UML的基于模型的系统工程流程，实现更高层次的抽象与更清晰的设计表达。
• 将信息物理系统（CPS）与物联网（IoT）技术集成到IAS中，以增强互操作性与实时控制能力。
• 通过在PLC编程中应用面向对象原则，实现软硬件的早期协同设计，从而实现最优系统设计。

提出的方法

• 采用IEC 61131-3的面向对象扩展，实现结构化、可重用且可维护的PLC代码。
• 应用SysML和UML对系统架构、行为及交互关系进行高层抽象建模。
• 集成物联网技术，实现IAS中信息与物理组件之间的通信与协调。
• 利用基于模型的设计，将系统设计与底层实现解耦，支持早期验证与确认。
• 定义支持并行工程与早期发现设计缺陷的系统工程流程。
• 通过标准化的转换规则与工具链，将高层模型映射为可执行的PLC代码。

实验结果

研究问题

• RQ1 IEC 61131-3中的面向对象原则在多大程度上能够提升工业自动化系统的设计质量与可维护性？
• RQ2 SysML与UML在多大程度上能够增强IAS架构与行为建模的抽象层次与清晰度？
• RQ3 如何有效将物联网技术集成到传统基于PLC的自动化系统中，以实现信息物理系统能力？
• RQ4 与顺序方法相比，基于模型的系统工程方法是否能够缩短开发周期并提升系统质量？
• RQ5 从传统顺序的IAS开发向基于模型驱动、面向对象及物联网增强的框架转型过程中，面临哪些关键挑战？

主要发现

• 所提出的框架通过从顺序开发转向并行工程，实现了工业自动化系统更系统化且更优的设计。
• 面向对象的IEC 61131-3集成显著提升了PLC系统中代码的可重用性、模块化程度与可维护性。
• SysML与UML模型提供了更高层次的抽象，增强了对系统的理解，并促进了各利益相关方之间的沟通。
• 物联网集成实现了信息与物理组件之间无缝的数据交换与协调，提升了系统的响应能力与可扩展性。
• 通过基于模型的开发，框架支持早期验证与确认，减少了后期设计错误。
• 尽管未报告定量性能指标，但修订版本确认，图表修正未影响核心结果或结论。