Die Reihe Xpert.press vermittelt Professionals in den Bereichen Softwareentwicklung, Internettechnologie und IT-Management aktuell und kompetent

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2 Xpert.press

3 Die Reihe Xpert.press vermittelt Professionals in den Bereichen Softwareentwicklung, Internettechnologie und IT-Management aktuell und kompetent relevantes Fachwissen über Technologien und Produkte zur Entwicklung und Anwendung moderner Informationstechnologien.

4 Peter Göhner Herausgeber Agentensysteme in der Automatisierungstechnik

5 Herausgeber Peter Göhner Institut für Automatisierungs- und Softwaretechnik, Universität Stuttgart, Stuttgart, Deutschland ISSN ISBN DOI / ISBN (ebook) Die Deutsche Nationalbibliothek verzeichnet diese Publikation in der Deutschen Nationalbibliografie; detaillierte bibliografische Daten sind im Internet über abrufbar. Springer Vieweg Springer-Verlag Berlin Heidelberg 2013 Dieses Werk einschließlich aller seiner Teile ist urheberrechtlich geschützt. Jede Verwertung, die nicht ausdrücklich vom Urheberrechtsgesetz zugelassen ist, bedarf der vorherigen Zustimmung des Verlags. Das gilt insbesondere für Vervielfältigungen, Bearbeitungen, Übersetzungen, Mikroverfilmungen und die Einspeicherung und Verarbeitung in elektronischen Systemen. Die Wiedergabe von Gebrauchsnamen, Handelsnamen, Warenbezeichnungen usw. in diesem Werk berechtigt auch ohne besondere Kennzeichnung nicht zu der Annahme, dass solche Namen im Sinne der Warenzeichen- und Markenschutz-Gesetzgebung als frei zu betrachten wären und daher von jedermann benutzt werden dürften. Gedruckt auf säurefreiem und chlorfrei gebleichtem Papier. Springer Vieweg ist eine Marke von Springer DE. Springer DE ist Teil der Fachverlagsgruppe Springer Science+Business Media

6 Vorwort Eine beständige Herausforderung für Ingenieure ist die Entwicklung von Software für moderne Automatisierungssysteme, die häufig im Spannungsfeld unterschiedlichster Anforderungen stattfindet. Dazu gehören die Notwendigkeit zu mehr Flexibilität, Robustheit, Skalierbarkeit, Anpassbarkeit und Integrationsfähigkeit der Automatisierungssoftware, einhergehend mit zunehmender Dezentralisierung und komplexeren Abläufen in Automatisierungssystemen. Die Automatisierungssoftware muss flexibel und ohne großen Aufwand an Änderungen des Automatisierungssystems oder seiner Umgebung anpassbar sein, um diese Anforderungen zukunftssicher bewältigen zu können. Dabei besteht häufig die Schwierigkeit, die komplexen Abläufe und Verhaltensweisen eines solchen flexiblen Systems zu beherrschen. Hinzu kommt, dass zunehmend auch die Integration des Automatisierungssystems mit heterogenen Komponenten und externen Systemen bewerkstelligt werden muss. Um diesen Herausforderungen zu begegnen, bietet der Einsatz von Softwareagenten viel versprechende Möglichkeiten. Mit ihrer Hilfe kann der nächste Entwicklungsschritt in der Automatisierungstechnik vollzogen werden weg von hierarchischen, statischen Systemen, hin zu flexiblen, dezentralen Netzwerken, die sich aus autonomen, kooperierenden Elementen zusammensetzen. Jedoch müssen die spezifischen Eigenschaften der Domäne berücksichtigt werden, um für agentenorientierte Software ein breites Anwendungsfeld in der Automatisierungstechnik zu erschließen. Dazu gehören Anforderungen an zeitliches Verhalten der Software, an Zuverlässigkeit, Sicherheit und Verfügbarkeit, aber auch Kommunikationsinfrastrukturen, Hardwareressourcen und nicht zuletzt das Zusammenspiel mit bestehenden Automatisierungsstrukturen. Mit diesem Band wollen wir einen Beitrag leisten, das Paradigma der agentenorientierten Softwareentwicklung in der Automatisierungstechnik weiter zu verbreiten und so die Entwicklung der Automatisierungssysteme von Morgen zu unterstützen. Stuttgart, Dezember 2012 Mit freundlichen Grüßen, Ihr Prof. Dr.-Ing. Dr. h. c. P. Göhner V

7 Inhaltsverzeichnis Teil I Allgemein 1 Funktionaler Anwendungsentwurf für agentenbasierte, verteilte Automatisierungssysteme... 3 Timo Frank, Daniel Schütz und Birgit Vogel-Heuser 1.1 Einführung Einführungsbeispiel Vorarbeiten zu verteilten Automatisierungssystemen Vorarbeiten zu Agenten in der Automatisierungstechnik Notation für den Entwurf von verteilten Automatisierungssystemen Sichten der Notation Anforderungen Software-Sicht Hardware-Sicht Sichten Kombination Funktionaler Entwurf von Softwareagenten Entwurf von Softwareagenten für Anlagenkomponenten Entwurf funktional implementierter Agenten Herausforderungen zukünftiger Architekturen Evaluation anhand eines Fallbeispiels Zusammenfassung Zukünftige Forschungsziele und -schwerpunkte Literatur Energiesysteme und das Paradigma des Agenten Andreas Beck, Christian Derksen, Sebastian Lehnhoff, Tobias Linnenberg, Astrid Nieße und Gregor Rohbogner 2.1 Einleitung Das elektrische Energiesystem heute Elektrische Energieerzeuger und Speicher VII

8 VIII Inhaltsverzeichnis Elektrische Netze Elektrische Energieverbraucher Lastermittlung und Netzsteuerung heute Herausforderungen für das zukünftige Energiesystem Typische Betriebsführungskonzepte und -strukturen in der wissenschaftlichen Literatur Zentral-hierarchische Führungsstruktur Dezentral-hierarchische Führungsstruktur Dezentrale Führungsstruktur Kritische Auseinandersetzung Spezielle Anforderungen an die Verteilnetzautomatisierung Smart Grid Literatur Architektur Anforderungen an zukünftige Netzleitsysteme Agenten und Agentenbasierte Betriebsführung Agenten und ihr Einsatz in Smart Grids Agentenbasierte Führungssysteme in der elektrischen Energieversorgung Evaluation agentenbasierter Betriebsführungskonzepte Forschungsaktivitäten, -fragen und -bedarf Zusammenfassung Literatur Teil II Konzepte und Methoden 3 Identifikation und Umsetzung von Agenten zur Fabrikautomation unter Nutzung von mechatronischen Strukturierungskonzepten.. 45 Arndt Lüder und Matthias Foehr 3.1 Einleitung Ausgangslage Agentensysteme zur Steuerung von Produktionssystemen Mechatronischer Entwurf von Produktionssystemen Mechatronikorientierte Agentensysteme Struktur mechatronikorientierter Agenten Entwurfsprozess für mechatronikorientierte Agentensysteme Vorteile der Nutzung mechatronikorientierter Agentensysteme Zusammenfassung Literatur Entwicklungsmethoden für agentenbasierte Systeme Bernhard Bauer 4.1 Einleitung... 63

9 Inhaltsverzeichnis IX 4.2 Überblick über Entwicklungsmethoden für agentenbasierte Systeme Objektorientierte Ansätze Wissensbasierte Ansätze Agentenbasierte Ansätze Überblick Vereinheitlichung der Ansätze Vereinheitlichung der Ansätze Prozesslinienansatz für Agenten Zusammenfassung und Ausblick Literatur Middleware für Systeme mobiler Agenten in der Automatisierung. 79 Hagen Stanek 5.1 Einleitung Grundlegende Anforderungen an eine Middleware Middleware und verteilte Anwendungen Definition mobiler Agenten Bedingungen der Automatisierung Virtuelle Maschinen Zusammenfassung der grundlegenden Anforderungen an eine Middleware Middleware Existierende Middleware Reduzierung der Middleware-Liste Zusammenfassung Literatur Agentenmodelle in der Anlagenautomation Ulrich Epple 6.1 Einleitung Konzept eines Agentensystems Technische Agenten auf Funktionsbausteinbasis Dienstschnittstelle Auftragsschnittstelle Eingangsschnittstelle Agenten der Anlagenautomatisierung Agenten für die Anlagensteuerung Agenten zur operativen Ausführung von Maßnahmen Agenten zur Ankopplung der Systemdienste Agenten zur Verwaltung von technischen Einrichtungen Agenten zur Verwaltung von Produkten Agenten zur Verwaltung von Modellen Agenten zur Verwaltung von Zusatzfunktionen Agenten zur Unterstützung von Assistenzsystemen

10 X Inhaltsverzeichnis 6.4 Zusammenfassung Literatur Teil III Agenten im operativen Einsatz 7 Einsatz von Agentensystemen in der Intralogistik Wilfried Kugler und Dirk Gehlich 7.1 Einleitung Ausgangssituation Konzept Das agentengesteuerte Kommissioniersystem Aufbau des RFID-Systems Konzept einer agentenbasierten Steuerung Platz-zu-Platz-Steuerung Steuerung der Auftragsreihenfolge Integration der Steuerung Zusammenfassung Literatur Von Softwareagenten zu Cyber-Physical Systems: Technologien und Anwendungen Thorsten Schöler, Christian Ego, Johannes Leimer und Rico Lieback 8.1 Einleitung Ausgangssituation Dezentralisierung des Energiemarktes Dezentrale Koordination und Steuerung von dynamischen Logistikketten Logik-basierte Fehlererkennung und -analyse Digitales Produktgedächtnis Systemmanagement für Industrieanlagen und Medizingeräte Zusammenfassung Konzept, Lösung Einordnung der Technologien Objekt-funktionale Plattform für Cyber-Physical Systems Integration wissensbasierter Komponenten Evaluierung, Erfahrung mit der Benutzung Leistungsevaluation Typische Einsatzmöglichkeiten Anwendung im Energiemanagement Zusammenfassung Literatur