Putting supervisor synthesis to work: controller software generation for infrastructural systems
Ferdie F. H. Reijnen · TU/e Research Portal · 2020
In the coming decades, numerous locks and bridges in the Netherlands have to be renovated or replaced, as they reach their end-of-life or have capacity problems.In the past, these infrastructural systems have been engineered, built, and maintained on a project basis, resulting in a variety of unique solutions to almost the same engineering problem.This uniqueness has proven to be disadvantageous for quality, evolvability, and life-cycle costs.For future infrastructural systems, Rijkswaterstaat, part of the Dutch Ministry of Infrastructure and Water Management, is seeking methods for modularization and standardization to increase quality, increase evolvability, and decrease life-cycle costs.The supervisory controller of an infrastructural object, which controls and monitors its components, is identified as one of the subsystems having a significant impact on these three aspects.The aim of this thesis is to investigate the applicability of supervisory control theory (SCT) for the design of supervisory controllers for locks and bridges.SCT is concerned with systems that are discrete in time and state space, and where the behavior is driven by instantaneous events.SCT provides techniques to automatically derive supervisors, called supervisor synthesis.For supervisor synthesis, a model of the behavior of the system's components and a model of the desired behavior (the requirements) are required.The synthesis result is correct-by-construction with respect to the modeled requirements.From the synthesized supervisor, a supervisory controller can be derived.SCT may contribute to the aim of Rijkswaterstaat to increase the quality and the evolvability of the supervisory controller.While supervisor synthesis is an active research topic, only a few studies exist on industrial applications.One of the reasons is the lack of acquaintance of control engineers with modeling in the framework of automata.In addition to this, there are no clear guidelines for obtaining the necessary models for synthesis.As the first contribution of this thesis, a way of modeling the plant and the requirements is proposed.The models result in a supervisor from which a supervisory controller can be derived that can straightforwardly be implemented on a programmable logic controller (PLC).This way of modeling is illustrated with an industrial case study in which a supervisor has been synthesized for the Algera complex.A major incentive to use supervisor synthesis is that from the resulting supervisor a supervisory controller can be derived, which in turn can be used to generate controller code for a PLC.As a second contribution of this thesis, an overview of the steps to go from a supervisor model to controller code is given, as well as the potential problems that can be encountered during these steps.For each problem, it is shown how to verify that the supervisory controller is not affected by it.Furthermore, optimization v Samenvatting In de komende decennia worden verschillende sluizen en bruggen in Nederland gerenoveerd of vervangen, omdat deze het einde van hun levenscyclus naderen of capaciteitsproblemen hebben.In het verleden zijn deze infrastructurele systemen ontworpen, gebouwd en onderhouden op projectbasis, wat heeft geleid tot een grote verscheidenheid aan oplossingen voor bijna dezelfde ontwerpproblemen.Deze verscheidenheid is nadelig gebleken voor de kwaliteit, de herbruikbaarheid en de levenscycluskosten.Voor toekomstige infrastructuur zoekt Rijkswaterstaat, onderdeel van het Nederlandse Ministerie van Infrastructuur en Waterstaat, naar methoden voor modularisatie en standaardisatie om de kwaliteit te verhogen, de herbruikbaarheid te vergroten en de levenscycluskosten te verlagen.Het is gebleken dat het besturingssysteem van deze infrastructurele systemen een onderdeel is dat een significante invloed heeft op deze drie aspecten.Het doel van dit proefschrift is om de geschiktheid van supervisory control theory (SCT) te onderzoeken voor het ontwerpen van besturingssystemen voor sluizen en bruggen.SCT houdt zich bezig met het besturen van systemen die discreet zijn in tijd en in toestandsruimte en waarvan het gedrag wordt gestuurd door externe gebeurtenissen.SCT biedt technieken om automatisch deze besturingen te berekenen.Deze wijze van berekening wordt besturingssynthese genoemd.Voor besturingssynthese zijn een model van het gedrag van de componenten in het systeem en een model van het gewenste gedrag (de eisen) nodig.Het resultaat van synthese voldoet per definitie aan de gemodelleerde eisen.Uit dit resultaat kan vervolgens een besturing worden verkregen.SCT kan bijdragen aan de doelstelling van Rijkswaterstaat om de kwaliteit en de herbruikbaarheid van het besturingssysteem te verhogen.Hoewel besturingssynthese een actief onderzoeksgebied is, bestaan er maar enkele studies over industriële toepassingen.Een van de redenen hiervan is het gebrek aan ervaring bij ingenieurs om te modelleren met automaten.Daarnaast zijn er ook geen duidelijke richtlijnen voor het verkrijgen van de benodigde modellen voor synthese.De eerste bijdrage van dit proefschrift is een manier om het systeem met zijn eisen te modelleren.Deze modellen resulteren in een syntheseresultaat waaruit een besturing kan worden verkregen die vervolgens eenvoudig op een programmeerbare logische besturing (Eng.programmable logic controller, PLC) kan worden geïnstalleerd.De manier van modelleren is geïllustreerd met het onderzoek van een industriële casus waarin een besturing voor het Algera complex is gesynthetiseerd.Een belangrijke stimulans om synthese te gebruiken, is dat uit het resultaat een besturing kan worden afgeleid die op zijn beurt gebruikt kan worden om besturingscode te genereren voor een PLC.De tweede bijdrage van dit proefschrift geeft een overzicht vii om vanuit het syntheseresultaat tot de besturingscode te komen.Daarbij worden de mogelijke problemen geanalyseerd.Voor elk probleem wordt inzichtelijk gemaakt hoe geverifieerd kan worden dat de besturing hier niet gevoelig voor is.Tevens worden optimaliseringstechnieken gebruikt om de code zo te structureren dat de uitvoeringstijd en de variabiliteit van een programmacyclus worden gereduceerd.In de industrie moeten besturingen aan strikte veiligheidsstandaarden voldoen.Om aan deze standaarden te voldoen, worden veiligheids-PLCs (Eng.Safety-PLCs, SPLCs) gebruikt.Voor de implementatie op een SPLC moet de besturing in een regulier deel en een veiligheidsdeel worden gesplitst.De derde bijdrage beschreven in dit proefschrift is een methode die een besturing automatisch splitst in een regulier deel en in een veiligheidsdeel.Vanuit deze twee resulterende delen kan besturingscode voor de gehele SPLC worden verkregen.Ondanks dat de besturing per definitie aan de eisen voldoet, is het niet altijd bekend of de eisen compleet en correct zijn.Daarom dient de besturing te worden gevalideerd.Hiervoor wordt vaak modelsimulatie gebruikt.Hoewel modelsimulatie een krachtig hulpmiddel is voor validatie, biedt het slechts een gedeeltelijke analyse.Aspecten die verband houden met de uitvoering van de besturing op een hardwareplatform, zoals een PLC, en communicatie met subsystemen, zoals een mens-machine-interface, kunnen niet worden gevalideerd met modelsimulatie.Om de kloof tussen modelsimulatie en realisatie te overbruggen, kan hardware-in-the-loop (HIL)-validatie worden uitgevoerd na modelsimulatie en vóór implementatie op het systeem.De vierde bijdrage die in dit proefschrift wordt beschreven, is een methode voor HIL-validatie van gesynthetiseerde besturingen.De voorgaande bijdragen zijn gedemonstreerd in een industriële toepassing.Een besturing voor een draaibrug is gesynthetiseerd, gevalideerd, geïmplementeerd en getest op het echte systeem.De vijfde bijdrage die in dit proefschrift wordt beschreven, is het demonstreren van alle stappen die nodig zijn om van een specificatie naar een implementatie van een besturing voor een infrastructureel systeem te gaan.Deze casus laat zien dat synthesetechnieken een punt hebben bereikt waarop ze krachtig genoeg zijn om te worden toegepast op industriële schaal.Tenslotte wordt besturingssynthese voor een familie van vergelijkbare systemen onderzocht.Een grafische modelleermethode op basis van gestandaardiseerde modules wordt hier als zesde bijdrage gepresenteerd.Bij deze methode worden de subsystemen gemodelleerd door middel van het instantiëren van modules uit een bibliotheek.Er is een prototype van een computerprogramma ontwikkeld dat de voorgestelde methode illustreert voor de ontwikkeling van besturingen van beweegbare bruggen.Met deze methode zijn de besturingen voor een familie van een zeventiental bruggen ontwikkeld.viii Dankwoord Dit proefschrift is het resultaat van de intensieve samenwerking tussen Rijkswaterstaat (RWS) en de Technische Universiteit Eindhoven (TU/e) in het MultiWaterWerk (MWW)-project.Het voordeel van een samenwerking met de industrie is dat ontwikkelde theorieën direct op echte systemen getoetst kunnen worden, iets wat ik heb ervaren als uiterst waardevol.De combinatie van academie en industrie heeft ervoor gezorgd dat het een uitdagend en interessant project is geworden.Hiervoor wil ik iedereen bij RWS en de TU/e enorm bedanken.In het bijzonder wil ik bij RWS de volgende personen bedanken.