Abstract
GRAFCET is a graphical means for formal specifications in industrial control design. In order to use these formal specifications for model-driven development of control code, it is beneficial to ensure syntactic correctness and verify the model. This paper presents a detailed meta-model for GRAFCET that includes logical and arithmetic expressions in conditions and assignments. The meta-model and additional invariants allow for creation of syntactically correct Grafcets. On this basis, a translation of GRAFCET into Guarded Action Language (GAL) is presented. The resulting transition systems in GAL allow a semantic analysis of GRAFCET by means of model checking. From these GRAFCET specifications, specification-compliant PLC code can be generated automatically.
Zusammenfassung
Die grafische Modellierungssprache GRAFCET wird als formale Spezifikationssprache im industriellen Steuerungsentwurf verwendet. Um diese formalen Spezifikationen für die modellgetriebene Entwicklung von Steuerungscode zu nutzen, ist es wichtig, syntaktische Korrektheit sicherzustellen und eine semantische Verifikation durchzuführen. In diesem Beitrag wird ein detailliertes Metamodell für GRAFCET vorgestellt, das logische und arithmetische Ausdrücke in Bedingungen und Zuweisungen berücksichtigt. Das Metamodell und zusätzliche Invarianten verhindern es, syntaktisch inkorrekte Grafcets zu erstellen. Auf dieser Grundlage wird eine Übersetzung von GRAFCET in Guarded Action Language (GAL) vorgestellt. Die resultierenden Transitionssysteme in GAL ermöglichen eine semantische Analyse von GRAFCET mittels Model Checking. Aus diesen GRAFCET-Spezifikationen lässt sich automatisiert spezifikationskonformer SPS-Code generieren.
Über die Autoren
Aron Schnakenbeck erhielt den B.Sc. und M.Sc. in Wirtschaftsingenieurwesen von der Universität Hamburg. Aktuell ist er wissenschaftlicher Mitarbeiter am Institut für Automatisierungstechnik der Helmut-Schmidt-Universität/Universität der Bundeswehr Hamburg. Sein Hauptinteresse gilt der formalen Verifikation von graphischen Beschreibungsmitteln im Entwurf von Steuerungsprogrammen.
Robin Mroß erhielt seinen B.Sc. and M.Sc. in Informatik von der RWTH Aachen University. Aktuell ist er wissenschaftlicher Mitarbeiter am Lehrstuhl Informatik 11 – Embedded Software an der RWTH Aachen University. Sein Forschungsinteresse liegt im Bereich der Verifikation von formalen Beschreibungsmitteln.
Marcus Völker erhielt den B.Sc und M.Sc in Informatik von der RWTH Aachen University. Aktuell arbeitet er als wissenschaftlicher Mitarbeiter am Lehrstuhl Informatik 11 – Embedded Software, wo er die Forschungsgruppe „Formale Methoden für Reaktive Systeme“ leitet. Seine Forschungsinteressen liegen in der Entwicklung und Anwendung formaler Methoden zur Analyse und Verifikation reaktiver Systeme.
Stefan Kowalewski ist Professor an der RWTH Aachen University und dort Leiter des Lehrstuhls Informatik 11 – Embedded Software mit dem Forschungsschwerpunkt der Entwurfs- und Analysemethoden für softwareintensive, eingebettete und cyber-physische Systeme. Sein besonderes Interesse gilt den formalen und semi-formalen Methoden zur Programmanalyse und des Designs und der Validierung von sicherheitskritischen Systemen.
Alexander Fay ist Professor für Automatisierungstechnik und Leiter des Instituts für Automatisierungstechnik in der Fakultät für Maschinenbau der Helmut-Schmidt-Universität/Universität der Bundeswehr Hamburg. Sein Hauptinteresse gilt Beschreibungsmitteln, Methoden und Werkzeugen für ein effizientes Engineering komplexer Automatisierungssysteme.
-
Author contributions: All the authors have accepted responsibility for the entire content of this submitted manuscript and approved submission.
-
Research funding: Diese Arbeit ist im Rahmen des Projektes AGRAFE (Analyse von GRAFCET-Spezifikationen zur Erkennung von Entwurfsfehlern) entstanden, das von der Deutschen Forschungsgemeinschaft gefördert wird.
-
Conflict of interest statement: The authors declare no conflicts of interest regarding this article.
Literatur
[1] A. Schnakenbeck, R. Mroß, M. Völker, S. Kowalewski, and A. Fay, “Transformation von GRAFCET in GAL auf Basis eines ausführlichen Metamodells zur Verifikation von Entwurfsfehlern,” in 17. Fachtagung EKA 2020 – Entwurf Komplexer Automatisierungssysteme: Beschreibungsmittel, Methoden, Werkzeuge und Anwendungen, Magdeburg, 2022.10.1515/auto-2022-0094Search in Google Scholar
[2] R. Julius, T. Trenner, A. Fay, J. Nedidig, and X. L. Hoang, “A meta-model based environment for GRAFCET specifications,” in SYSCON 2019, Piscataway, NJ, IEEE, 2019, pp. 1–7.10.1109/SYSCON.2019.8836959Search in Google Scholar
[3] B. Vogel-Heuser, A. Fay, I. Schaefer, and M. Tichy, “Evolution of software in automated production systems: challenges and research directions,” J. Syst. Software, vol. 110, 54–84, 2015. https://doi.org/10.1016/j.jss.2015.08.026.Search in Google Scholar
[4] DIN EN 60848, GRAFCET, Spezifikationssprache für Funktionspläne der Ablaufsteuerung, 2014.Search in Google Scholar
[5] B. W. Boehm, Software Engineering Economics. Prentice-Hall Advances in Computing Science and Technology Series, Englewood Cliffs, NJ, Prentice-Hall, 1981.Search in Google Scholar
[6] Y. T. Mieg, “From symbolic verification to domain specific languages: Formal languages and automata theory,” Diss. Sorbonne Université UPMC, Paris, France, 2016.Search in Google Scholar
[7] R. Julius, T. Trenner, J. Neidig, and A. Fay, “A model-driven approach for transforming GRAFCET specification into PLC code including hierarchical structures,” IFAC-PapersOnLine, vol. 52, no. 13, pp. 1767–1772, 2019.10.1016/j.ifacol.2019.11.457Search in Google Scholar
[8] DIN EN 61131-3, Speicherprogrammierbare Steuerungen – Teil 3: Programmiersprachen, 2014.Search in Google Scholar
[9] F. Schumacher, S. Schröck, und A. Fay, “Transforming hierarchical concepts of GRAFCET into a suitable Petri net formalism,” IFAC Proc. Vol., Bd. 46, Nr. 9, SS. 295–300, 2013. https://doi.org/10.3182/20130619-3-RU- 3018.00188.10.3182/20130619-3-RU-3018.00188Search in Google Scholar
[10] J. Provost, J. M. Roussel, und J. M. Faure, “A formal semantics for Grafcet specifications,” in 2011 IEEE International Conference on Automation Science and Engineering, H. von Michael Yu Wang, Ed., Piscataway, NJ, IEEE, 2011, SS. 488-494.10.1109/CASE.2011.6042457Search in Google Scholar
[11] F. Schumacher und A. Fay, “Formal representation of GRAFCET to automatically generate control code,” Control Eng. Pract., Bd. 33, SS. 84–93, 2014. https://doi.org/10.1016/j.conengprac.2014.09.008.Search in Google Scholar
[12] ISO/IEC 15909-2, Systems and software engineering – high-level petri nets – part 2: transfer format, 2011.Search in Google Scholar
[13] Object Management Group, Meta Object Facility (MOF) Core Specification, Object Management Group, 2019.Search in Google Scholar
[14] G. V. Arnold, P. R. Henriques, und J. C. Fonseca, “A graphical interface based on grafcet for programming industrial robots off-line,” in ICINCO, 2005, SS. 113–118. Available at: https://repositorium.sdum.uminho.pt/handle/1822/3360.Search in Google Scholar
[15] G. Nzebop, E. Simeu, und M. Tchuente, “Langage et sémantique des expressions pour la synthése de modéle Grafcet dans un environnement IDM,” in Conférence de Recherche en Informatique (CRI’19, Yaoundé), 2020.Search in Google Scholar
[16] F. Cassez, “Formal semantics for reactive Grafcet,” J. Eur. Syst. Autom., vol. 31, pp. 581–603, 1997.Search in Google Scholar
[17] M. Sogbohossou und A. Vianou, “Translation of hierarchical GRAFCET charts into time Petri nets,” in Working Paper or Preprint, 2020. Available at: https://hal.archives-ouvertes.fr/hal-02934113.Search in Google Scholar
[18] Y. T. Mieg, “Symbolic model-checking using ITStools,” in Tools and Algorithms for the Construction and Analysis of Systems, Bd. 9035, LNTCS, Springer Berlin Heidelberg, 2015, SS. 231–237. Available at: https://hal.archives-ouvertes.fr/hal-02104373.10.1007/978-3-662-46681-0_20Search in Google Scholar
[19] R. Julius, M. Schürenberg, F. Schumacher, and A. Fay, “Transformation of GRAFCET to PLC code including hierarchical structures,” Control Eng. Pract., vol. 64, pp. 173–194, 2017. https://doi.org/10.1016/j.conengprac.2017.03.012.Search in Google Scholar
[20] Object Management Group, Object Constraint Language, Object Management Group, 2014.Search in Google Scholar
[21] Object Management Goup, XML Metadata Interchange (XMI) Specification, Object Management Group, 2015.Search in Google Scholar
[22] Technical Paper, “PLCopen technical committtee 6. XML formats for IEC 61131-3: version 2.01 – official release,” 2009.Search in Google Scholar
[23] CODESYS, CODESYS, 2022. Available at: https://www.codesys.com/.Search in Google Scholar
© 2022 Walter de Gruyter GmbH, Berlin/Boston
