Towards a new methodology for design, modelling, and verification of reconfigurable distributed control systems based on a new extension to the IEC 61499 standard

Abstract

In order to meet user requirements and system environment changes, reconfigurable control systems must dynamically adapt their structure and behaviour without disrupting system operation. IEC 61499 standard provides limited support for the design and verification of such systems. In fact, handling different reconfiguration scenarios at runtime is difficult since function blocks in IEC 61499 cannot be changed at run-time. Hence, this thesis promotes an IEC 61499 extension called reconfigurable function block (RFB) that increases design readability and smoothly switches to the most appropriate behaviour when a reconfiguration event occurs. To ensure system feasibility after reconfiguration, in addition to the qualitative verification, quantitative verification based on probabilistic model checking is addressed in a new RFBA approach. The latter aims to transform the designed RFB model automatically into a generalised reconfigurable timed net condition/event system model (GRTNCES) using a newly developed environment called RFBTool. The GR-TNCES fits well with RFB and preserves its semantic. Using the probabilistic model checker PRISM, the generated GR-TNCES model is checked using defined properties specified in computation tree logic. As a result, an evaluation of system performance and an estimation of reconfiguration risks are obtained. The RFBA methodology is applied on a distributed power system case study.

Dynamische Anforderungen und Umgebungen erfordern rekonfigurierbare Anlagen und Steuerungssysteme. Rekonfiguration ermöglicht es einem System, seine Struktur und sein Verhalten an interne oder externe Änderungen anzupassen. Die Norm IEC 61499 wurde entwickelt, um (verteilte) Steuerungssysteme auf Basis von Funktionsbausteinen zu entwickeln. Sie bietet jedoch wenig Unterstützung für Entwurf und Verifikation. Die Tatsache, dass eine Rekonfiguration das System-Ausführungsmodell verändert, erschwert die Entwicklung in IEC 61499 zusätzlich. Daher schlägt diese Dissertation rekonfigurierbare Funktionsbausteine (RFBs) als Erweiterung der Norm vor. Ein RFB verarbeitet über einen Master-Slave-Automaten Rekonfigurationsereignisse und löst das entsprechende Verhalten aus. Diese Hierarchie trennt das Rekonfigurationsmodell vom Steuerungsmodell und vereinfacht so den Entwurf. Die Funktionalität des Entwurfs muss verifiziert werden, damit die Ausführbarkeit des Systems nach einer Rekonfiguration gewährleistet ist. Hierzu wird das entworfene RFB-Modell automatisch in ein generalised reconfigurable timed net condition/event system übersetzt. Dieses wird mit dem Model-Checker PRISM auf qualitative und quantitative Eigenschaften überprüft. Somit wird eine Bewertung der Systemperformanz und eine Einschätzung der Rekonfigurationsrisiken erreicht. Die RFB-Methodik wurde in einem Softwarewerkzeug umgesetzt und in einer Fallstudie auf ein dezentrales Stromnetz angewendet.