Academic literature on the topic 'Industriella Styrsystem'

Former studies have shown that a considerable part of industries’ energy usage can stem from idle times in the production. This thesis, carried out at Siemens Industry sector, evaluates the potential for using the control system to automatically put machines into energy saving mode during idle times. The main part of the thesis consists of a case study performed on machine tools at a Scania production site in Södertälje. Through load measurements the potential for energy savings was determined. The results show that there is a great potential for energy savings during idle times at the site. 20 to 50 percent of the machines’ energy usage can be reduced if they are put into energy saving mode when they are not used. However, the implementation of pause management in an existing control system is often too expensive to be motivated alone. Instead this should be considered before overhauls or rebuilds of machines and production sites. Another way of reducing costs can be to use a standard for pause management like PROFIenergy. A general conclusion is that industries with discrete manufacturing and long pause times have a great potential for energy savings. The same holds for machines with position control, such as robots and machine tools. The thesis also highlights the need for proper energy measurements at a production site in order to evaluate the potential for and results of an energy efficiency measure.

Resilience is the ability to maintain acceptable levels of operation in the presence of abnormal conditions. It is an essential property in industrial control systems, which are the backbone of several critical infrastructures. The trend towards using pervasive information technology systems, such as the Internet, results in control systems becoming increasingly vulnerable to cyber threats. Traditional cyber security does not consider the interdependencies between the physical components and the cyber systems. On the other hand, control-theoretic approaches typically deal with independent disturbances and faults, thus they are not tailored to handle cyber threats. Theory and tools to analyze and build control system resilience are, therefore, lacking and in need to be developed. This thesis contributes towards a framework for analyzing and building resilient control systems. First, a conceptual model for networked control systems with malicious adversaries is introduced. In this model, the adversary aims at disrupting the system behavior while remaining undetected by an anomaly detector The adversary is constrained in terms of the available model knowledge, disclosure resources, and disruption capabilities. These resources may correspond to the anomaly detector’s algorithm, sniffers of private data, and spoofers of control commands, respectively. Second, we address security and resilience under the perspective of risk management, where the notion of risk is defined in terms of a threat’s scenario, impact, and likelihood. Quantitative tools to analyze risk are proposed. They take into account both the likelihood and impact of threats. Attack scenarios with high impact are identified using the proposed tools, e.g., zero-dynamics attacks are analyzed in detail. The problem of revealing attacks is also addressed. Their stealthiness is characterized, and how to detect them by modifying the system’s structure is also described. As our third contribution, we propose distributed fault detection and isolation schemes to detect physical and cyber threats on interconnected second-order linear systems. A distributed scheme based on unknown input observers is designed to jointly detect and isolate threats that may occur on the network edges or nodes. Additionally, we propose a distributed scheme based on local models and measurements that is resilient to changes outside the local subsystem. The complexity of the proposed methods is decreased by reducing the number of monitoring nodes and by characterizing the minimum amount of model information and measurements needed to achieve fault detection and isolation. Finally, we tackle the problem of distributed reconfiguration under sensor and actuator faults. In particular, we consider a control system with redundant sensors and actuators cooperating to recover from the removal of individual nodes. The proposed scheme minimizes a quadratic cost while satisfying a model-matching condition, which maintains the nominal closed-loop behavior after faults. Stability of the closed-loop system under the proposed scheme is analyzed.
Ett resilient system har förmågan att återhämta sig efter en kraftig och oväntad störning. Resiliens är en viktig egenskap hos industriella styrsystem som utgör en viktig komponent i många kritiska infrastrukturer, såsom processindustri och elkraftnät. Trenden att använda storskaliga IT-system, såsom Internet, inom styrsystem resulterar i en ökad sårbarhet för cyberhot. Traditionell IT-säkerhet tar inte hänsyn till den speciella koppling mellan fysikaliska komponenter och ITsystem som finns inom styrsystem. Å andra sidan så brukar traditionell reglerteknik fokusera på att hantera naturliga fel och inte cybersårbarheter. Teori och verktyg för resilienta och cybersäkra styrsystem saknas därför och behöver utvecklas. Denna avhandling bidrar till att ta fram ett ramverk för att analysera och konstruera just sådana styrsystem. Först så tar vi fram en representativ abstrakt modell för nätverkade styrsystem som består av fyra komponenter: den fysikaliska processen med sensorer och ställdon, kommunikationsnätet, det digitala styrsystemet och en feldetektor. Sedan införs en konceptuell modell för attacker gentemot det nätverkade styrsystemet. I modellen så beskrivs attacker som försöker undgå att skapa alarm i feldetektorn men ändå stör den fysikaliska processen. Dessutom så utgår modellen ifrån att den som utför attacken har begränsade resurser i fråga om modellkännedom och kommunikationskanaler. Det beskrivna ramverket används sedan för att studera resilens gentemot attackerna genom en riskanalys, där risk definieras utifrån ett hots scenario, konsekvenser och sannolikhet. Kvantitativa metoder för att uppskatta attackernas konsekvenser och sannolikheter tas fram, och speciellt visas hur hot med hög risk kan identifieras och motverkas. Resultaten i avhandlingen illustreras med ett flertal numeriska och praktiska exempel.

QC 20141016

I dagens samhälle är energiförbrukning väldigt viktigt och framförallt något som kommer bli en betydligt större aspekt framåt i tiden, särskilt om man jämför med hur man tar hänsyn till det idag. Bengt-Olof Hammar (se inledning) har sju stora maskiner i snickeriet där han startar och stänger av spånsuget manuellt. Önskemålet från Hammar var i grunden att automatisera snickeriet på så sätt att vid en maskinstart startar spånsuget och spjället till respektive maskin öppnas. Projektet utökades senare så att möjligheten att slå ifrån utsuget när maskinerna körts på tomgång en viss tid är möjligt. En ny produkt togs fram med en välfungerande lösning av problemet och lyckade resultat vid styrning av spånsuget och spjäll. Produkten kan konfigureras för varje maskin och kan användas för andra liknande problem.
In today's society, energy consumption is very important, and above all, something that will have a much larger aspect in the future, especially compared with today. The project consists, upon the request of Bengt-Olof Hammar (see paragraph Inledning) has seven large machines in his workshop where he starts and stops the chip extractor manually. The desire of Bengt-Olof was basically to automate the workshop so that when a machine starts the chip extractor starts and the dampers for the machine is opened. The project was later expanded so that the ability to turn off the chip extractor when the machine run on idle for a certain period of time. A new product was developed with a great solution to the problem and good results in controlling the chip extractor and dampers. The product can be configured for each machine and can be used for other similar problems.

Automation systems are becoming more and more integrated in today’s society. The complexities of these systems are increasing and with this, the demand for high quality during the developmental phases. This poses a challenge for companies developing systems. One solution emerging form this issue is the use of simulations and virtual commissioning.  In the thesis, the process of quality control and the effective use of simulations in automation system development projects are studied. The focus lies on the software part of the systems. The study was conducted as an interview study of personnel at an automation systems development company. After conducting the interviews, the information was analyzed. This was combined with general theory regarding quality control and testing methods in software development. The test methods of the quality control process were then combined with what was required by a simulator in order to preform them.  The results of the thesis is a detailed picture of the quality control process. Systems are tested twice with the same testing hierarchy, first during development and then during commissioning. The difference is that during development, the final physical hardware and process system are not conceded to the software. This impacts the software system functionality and limiting its testability. Using simulations during development can reduce the disparity between the systems before and after deployment, improving quality. Considerations regarding the extent of simulation need to be made in order for the value of the simulators’ error removing potential to be higher than the cost of developing the simulator.
Automationssystem blir mer och mer integrerade i dagens samhälle. Systemens komplexitet ökar och med det karven på hög kvalitet under utvecklingen. Detta blir en utmaning för de företag som utvecklar systemen. En lösning som är på uppgång för detta är användningen av simulering och virtuell driftsättning.  I denna rapport studeras processen för kvalitetskontroll och effektiv användning av simulering i utvecklingsprojekt av automationssystem. Fokus ligger på mjukvarudelen av systemen. Studien är gjord som en intervjustudie av personal från ett automationsutvecklings företag. Efter intervjuerna analyserades materialet och kombinerades med generella teorier om kvalitetskontroll och testning i mjukvaruutveckling. Processens tester kombinerades sedan med vad som krävs av en simulator för att utföra dessa. Resultatet av detta arbete är för det första en detaljerad bild av kvalitetskontrolls processen. Detta visar att systemen tests två gånger med samma testhierarki, först under utvecklingen och sedan under driftsättningen. Skillnaden är att under utvecklingen saknas den riktiga hårdvaran och process systemet vilket påverkar mjukvarans funktionalitet och begränsar testbarheten. Genom att använda simulering under utvecklingen kan skillnaden mellan systemen före och efter distribution vilket ökar kvaliteten. Överväganden gällande vilken nivå av simulering som behövs för att värdet av simulerings potentiella förmåga att ta bort fel skall bli göre en kostande för att utveckla simuleringen.

Detta examensarbete har utförts på Scanias forskning och utvecklingsavdelning, i Söder-tälje, under hösten 2007. Dess huvudsakliga syfte är att kartlägga och visualisera arbets-processen hos avdelningen som utvecklar styrsystem för drivlinan, alltså motor och väx-ellåda. Anledningen till att en visualisering skulle tas fram var för att skapa en helhetsbild över arbetet att ha som utgångspunkt för fortsatta diskussioner om processen samt för-bättringar av den. Denna bild blir även ett sätt att samla det organisatoriska lärandet och underlätta kunskapsöverföring.

Kartläggningen har skett genom intervjuer med cheferna på avdelningen samt genom en workshop. Information som erhölls under dessa tillfällen sammanställdes till en nulägesbeskrivning av avdelningens arbete. Många arbetsuppgifter saknade en processbeskriv-ning och de processbeskrivningar som fanns när vi inledde arbetet var inte samstämmiga. En stor brist som vi fann under kartläggningen var att kravhantering saknas i stor ut-sträckning i avdelningens arbete. Detta ställer till ett flertal problem vid planering och resurssäkring av projekt, men även när det handlar om att verifiera programvaran som utvecklas. Det finns även ett behov av att klargöra beslutsprocessen på avdelningen.

Utifrån den information vi fick från kartläggningen och teorier som behandlar ämnena process, produktutveckling samt mjukvaruutveckling har en analys gjorts av det nuva-rande arbetssättet. Vi inledde med att definiera det system som avdelningen utgör för att sedan identifiera processer utifrån de beskrivningar som gavs av cheferna. Här började även arbetet med att ta fram förslag på nya processer som behövs för att åtgärda de pro-blem som vi funnit under kartläggningens gång. De nya och gamla processerna struktu-rerades sedan genom att försöka hitta en entydighet mellan dem och placera dem i olika kategorier beroende på vad syftet med processen var.

Efter att processerna strukturerats ritades huvudprocessen upp. Resultatet är en visuali-sering av avdelningens huvudprocess med den första nivån av delprocesser beskrivna. Den största förändringen är att två nya delprocesser har tagits fram i början av arbets-processen.

Den första av dessa behandlar starten av projekt på NE. Syftet med processen är att få en bättre nedbrytning av de krav som kommer från projektkontoret, för att NE ska få större klarhet i vad som ska åstadkommas. Sättet att göra detta på är att samla berörda personer vid ett tillfälle för att diskutera kraven samt att planera projektet för NE:s del. Resultatet av ett sådant tillfälle blir förhoppningsvis en större förståelse inom organisa-tionen om vad som ska göras, men även att objektledarna utifrån detta kan sammanställa en bra objektdefinition.

Nästa nya delprocess behandlar planeringen av framtagningen av mjukvara. Det handlar om hur beslut ska tas för vilka funktioner och ändringar som ska hinna utvecklas till en viss tidpunkt. Vi har sett ett stort behov av att klargöra denna process och ge den en större roll i huvudprocessen. Vi har gett ett förslag på hur beslutsprocessen skulle kunna se ut, men det finns fortfarande ett behov av att vidareutveckla den och skapa samför-stånd runt den.

This master thesis has been written at Scania’s research and development organization in Södertälje, during the autumn of 2007. Its purpose is to map and visualize the work process at the department power train control system development. The reason to do this visualization was to make an overall picture of the work process and have that as a starting point for further discussions and further improvements to be made. The picture is also a way of gather the know-how and knowledge in the organisation and to facilitate the transfer of those between people.

Mapping the work process has been possible through interviews with the managers at the department and with a workshop that was held by us. The information that we at-tained during these occasions was put together to a description of what the work flow looks like at the present. Many of the tasks that the managers mentioned did not have a description and those which had a description did not always match each other. A big issue that we found during the mapping phase was that there is a shortage in the way the department handles the requirements on their product. This causes problems when planning and allocating resources to each project. Another issue we identified was the need to clarify how decisions are made about when and how the software should be de-veloped.

With the information that we got from the mapping and theories that discusses proc-esses, product development and software development, we were able to analyse the cur-rent work process. We started with defining the system that the department constitute and proceeded with identifying processes from the descriptions of tasks given by the managers. We started to work on some new processes which should come to terms with the problems we had seen during the mapping. The new and old processes were then structured to make a uniform whole and placed in different categories depending on what they were meant to fulfil.

After the processes were structured, we drew the map over the main process. The result is a visualization of the main process with the first level of sub-processes described. The biggest change we made was to add two new sub-processes in the beginning of the main process.

The first of these sub-processes is about the start of projects at NE. The purpose with the process is to break down the main requirements from the project office, to get a bet-ter understanding of what NE should accomplish in each project. The way to do this is to gather the people concerned with handling the requirements and to discuss the re-quirements together. The planning of the project could be done at the same occasion. The result of the occasion would hopefully be a better understanding of what the or-ganization should do but will also help the object leaders to write an object definition.

The next sub-process is concerned with the development of software. The important part is how to decide which functions and changes should be made to a specific time. We have seen a great need to clarify this process and to give it a bigger part in the main process. In this thesis we have made a proposition of how it could work, but there is still a need to develop it further and to create an understanding around it.

Inom processindustrin får fältbussar en allt viktigare funktion. Moderna distribuerade styrsystem kopplas ihop med avancerade ändnoder såsom smarta ställverk och frekvensomriktare, som i många fall har egna inbyggda styrsystem. Detta ställer höga krav på säker och tillförlitlig datakommunikation inom en processindustri. Idag används till största del två sorters fältbussteknologier: Seriell kommunikation via RS-485 samt paketbaserad kommunikation baserad på IEEE 802.3, även mer känt som Ethernet. Seriella fältbussar dominerar marknaden än idag trots att det är en föråldrad teknologi jämfört med Ethernet. Anledningarna till detta är flera: Då seriella fältbussar har varit i drift inom processindustrin i över 25 år så är det beprövat och kompetensen att underhålla och felsöka systemet finns ofta ute på industrierna. Driftsäkerhet prioriteras högt och tröskeln att gå över till ett nytt system är hög. En annan anledning är att processerna som styrs generellt sett är långsamma, oftast räcker cykeltider på 1s, samt att datamängden som överförs är relativt liten, så den långsammare transmissionshastigheten i en seriell fältbuss har inte utgjort någon begränsning. Ethernetbaserade fältbussar besitter dock intressanta fördelar över seriella men har även begränsningar som måste beaktas. I början på denna uppsatsundersöks en processindustris generella krav på en fältbuss. Därefter studeras för- och nackdelar med ethernetbaserade fältbussar samt det undersöktes om ett av de protokoll som används för fältbusskommunikation över ethernet, Profinet IO, levt upp till de krav som ställts. En fördel som framkommit med ethernetbaserade fältbussar är att det går att upprätta väldigt robusta nätverk med de protokoll som finns att tillgå. En nackdel är svårbestämd fördröjningstid på grund av best effortprincipen i paketförmedlade nätverk. Profinet IO löser detta genom synkron dataöverföring direkt ut på länklagret.Avslutningsvis så genomfördes ett praktiskt upprättande av en ethernetbaserad fältbuss där ett styrsystem kommunicerar med en frekvensomriktare över ett redundant ringnätverk.
Fieldbuses plays an increasingly more important function in the process industry. Modern distributed control systems coupled with advanced end nodes such as "smart" substations and frequency converters which in many cases have their own internal control systems. This places high demands on secure and reliable data communication within a process industry. Today mainly two types of fieldbus technologies are used: Serial communication via RS-485 and packet based communication based on IEEE 802.3, also known as Ethernet. Serial field buses dominate the market today, even though it is an obsolete technology compared to Ethernet. There are several reasons for this: Serial field buses have been in operation in the process industries for over 25 years, it a proven technology and the skills to maintain and troubleshoot the system are often found out on the floor. Process industries prioritize reliability and the threshold to move to a new system is high. Another reason is that the processes that are controlled are generally slow, usually a cycle time of 1s is sufficient, and that the amount of data transferred is relatively small so the slower transmission rate in a serial field bus has not been a limitation. Ethernet-based field buses, however, possess interesting advantages over serial buses but also has limitations that must be considered. At the beginning of this paper the process industry's general requirements on a fieldbus is examined. Then the pros and cons of Ethernet-basedfield buses are studied. After that it was investigated if one of the protocols used for fieldbus communication over Ethernet, Profinet IO, lived up to the requirements. One advantage that emerged with Ethernet-based field buses is that very robust networks can be established with the protocols that are available. A disadvantage is that it’s difficult to determine the delay due to the best effort principlein packet switched networks. Profinet IO solves this by synchronous data transfer directly out the link layer. Lastly there’s a practical implementation of an Ethernet-based fieldbus, where a control system communicates with a frequency converter over a redundant ring network.

Detta arbete har gått ut på att jämföra olika tekniker för styrning av industriella maskiner och robotar. jämförelsen har gjorts mellan trådbunden och trådlös kommunikation där den trådbundna delen genomförts med en PLC och den trådlösa med Arduino enheter med WiFi och GSM funktionalitet. Jämförelsen har gjorts genom teoretiska jämförelser med värden tagna från bland annat litteratur och mätningar på fördröjning samt testning av funktionalitet,användarupplevelse etc. Arbetet gav ett resultat att trots många fördelar för den trådlösa tekniken kan den inte just nu uppnå den stabilitet och korta fördröjning som krävs för dagens automatiserade system utan är mer anpassad för andra implementeringar inom industrin. Dock går utvecklingen framåt och detta kan leda till en förändring av detta i framtiden.