Titelaufnahme

Titel
Embedded execution environment for modular firmware structures / Martin Melik-Merkumians
VerfasserMelik-Merkumians, Martin
Begutachter / BegutachterinVincze, Markus
Erschienen2009
UmfangVII, 70 Bl.
HochschulschriftWien, Techn. Univ., Dipl.-Arb., 2009
Anmerkung
Zsfassung in dt. Sprache
SpracheEnglisch
DokumenttypDiplomarbeit
Schlagwörter (DE)Eingebettete Systeme / Firmware / IEC 61499 / Steuerungstechnik / Regelungstechnik / Automatisierungstechnik / Softwareentwicklung
Schlagwörter (EN)Embedded Systems / Firmware / IEC 61499 / control systems / automation / software development
URNurn:nbn:at:at-ubtuw:1-29915 Persistent Identifier (URN)
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Embedded execution environment for modular firmware structures [0.66 mb]
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Zusammenfassung (Deutsch)

Der steigende Wettbewerbsdruck zwingt die Industrie zu flexibleren Produktionsanlagen. Die Fähigkeit zu effizienter Losgröße Eins- und Kleinserien- Produktion sind wichtige Voraussetzungen für den Erfolg in den wettbewerbsintensiven Märkten. Jedoch sind klassische Produktionsanlagen nicht mehr den Anforderungen heutiger Märkte gewachsen. Dezentrale Systeme haben dazu beigetragen Geld für die Verkabelung von Automatisierungsgeräten zu sparen. Dies änderte jedoch nichts an der monolithischen Struktur der klassischen Automatisierungssysteme, welche nicht für schnelle Rekonfigurierbarkeit geeignet sind. Der sich gerade etablierende Standard IEC 61499 - Function blocks führt ein verteiltes Ausführungmodell ein, welches für schnelle Rekonfigurierbarkeit geeignet ist. Leider ist der Standard noch nicht weit verbreitet, da es nur wenige Geräte gibt, die die Modelle der IEC 61499 unterstützen. Zwar gibt es Laufzeitumgebungen für IEC 61499, jedoch ist keine für den Einsatz in billigen intelligenten Sensoren und Aktuatoren, aufgrund der begrenzten Speichergröße und Rechenleistung dieser Geräte, geeignet. Die direkte Integration von intelligente Sensoren und Aktoren würde die Entwicklung und Handhabung verteilter Steuerungssysteme von z.B.

Fertigungsanlagen oder Gebäudeautomationsanlagen erheblich verbessern und vereinfachen.

Das Ziel dieser Diplomarbeit ist es dieses Problem durch die Entwicklung einer Ausführungsumgebung für modulare Firmware-Strukturen für Systeme mit beschränkten Speicherressourcen und Rechenleistung zu lösen, die eine direkte Integration in IEC 61499-Systeme ermöglicht. Zuerst werden die Anforderungen an die Ausführungsumgebung mit Hilfe einer Use Case Analyse der Planungs- und der Betriebsphase eines typischen Automatisierungsgeräts ermittelt. Basierend auf den Ergebnissen der Use Case Analyse und der ermittelten Randbedingungen des Ausführungsumfeldes, wird ein erstes Grobdesign für eine solche Ausführungsumgebung entwickelt. Die Ergebnisse der Entwürfe werden dann verwendet, um die bestehende IEC 61499-Laufzeitumgebung FORTE zu verändern. Die durchgeführte Modifikation der FORTE verringert die Codegröße der FORTE um rund 56% auf 172076 bytes. Dadurch ist die FORTE auf billigen Mikrocontroller mit begrenztem ROM- und RAM, die typischerweise für intelligente Sensoren und intelligente Aktuatoren verwendet werden, lauffähig. Durch die dadurch erreichte Verringerung der Granularität von verteilten Systemen, kann die zur Verfügung stehende Rechenleistung besser genutzt werden.

Des Weiteren kann dadurch die Modularität und die Wiederverwendbarkeit von Systemteilen erhöht werden.

Zusammenfassung (Englisch)

The rising pressure of competition forces the industry to more flexible production. The ability of effective lot-size one and small batch production is becoming an important requisite for success on the todays competitive markets.

However, classical manufacturing plants are not suited for the new requirements of todays markets. Decentralized systems helped to save money for cabling of the automation devices, but changed nothing on the monolithic structure of classic industrial process and measurement systems. Such structures are not suited for fast reconfigurability. The emerging standard IEC 61499 - Function blocks introduces a distributed execution model, suited for fast reconfigurability. Unfortunately it is not widely used, as there are few automation devices that support IEC 61499 natively.

Although there are runtime environments for IEC 61499, none of them is suited for use in cheap smart sensors and actuators, as memory size and computing power are too low on such devices. But direct integration of smart sensors and actuators would vastly improve and simplify the possibilities of designing and handling distributed control systems for e.g., manufacturing plants or building automation systems.

This diploma thesis targets this problem, by developing an embedded execution environment for modular firmware structures with direct integration in IEC 61499 networks suitable for embedded systems with limited memory.

First the requirements of a firmware execution environment will be identified by an use case analysis of the programming phase and the operational phase of a typical automation device. Based on the findings of the use case analysis the requirements for the execution environment are identified, which are the base for a first conceptual design for such an execution environment. The findings of the conceptual design are then used to modify the existing IEC 61499 runtime environment FORTE.

The modification decreased the code size of FORTE for about 56% to 172076 bytes. Therefore it is now possible to run FORTE on cheap micro controllers, with limited ROM and RAM, commonly used in smart sensors and smart actuators. Thereby the granularity of a distributed system can be further reduced and therefore the available computing power can be better utilized, and the reuse and modularity of system parts can be increased.