Validation temporelle et déploiement d'une application de contrôle industrielle à base de composants

Temporal validation and deployment of component based industrial control applications

• Auteur / Autrice : Mohamed Khalgui
• Direction : Françoise Simonot-Lion, Xavier Rebeuf
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Informatique
• Date : Soutenance le 02/02/2007
• Etablissement(s) : Vandoeuvre-les-Nancy, INPL
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale IAEM Lorraine - Informatique, Automatique, Électronique - Électrotechnique, Mathématiques de Lorraine (1992-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Laboratoire lorrain de recherche en informatique et ses applications
• Jury : Président / Présidente : Jean-Marc Jezequel
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Françoise Simonot-Lion, Xavier Rebeuf, Charles Andre, Jean-Marc Faure, Samira Ben Ahmed, Anne Boyer, . Jezequel
• Jury : Rapporteur / Rapporteuse : Charles Andre, Jean-Marc Faure

Mots clés

Mots clés contrôlés

Temps réel (informatique)

Composants électroniques

Normes

Industrie

Industrie et commerce

Informatique

Mots clés libres

Approche par composants

Iec 61499

Systèmes de contrôle industriel

Model-checking

Systèmes temps-réel embarqués

Ordonnancement

Blocs fonctionnels

Déploiement et allocation

Component approach

Industrial control systems

Embedded real-time systems

Function blocks

Iec 61499

Model-checking

Real-time scheduling

Deployment and allocation

Résumé

Dans cette thèse, nous nous intéressons à la validation temporelle ainsi qu'au déploiement d'applications de contrôle industriel à base de composants. La technologie des composants retenue est celle des Blocs Fonctionnels définie dans la norme industrielle IEC 61499. Un Bloc Fonctionnel est défini comme un composant réactif supportant des fonctionnalités d'une application. L'avantage de cette norme, connue dans l'industrie, est la description statique de l'application ainsi que de son support d'exécution. Une première contribution de la thèse est l'interprétation des différents concepts définis dans la norme. Nous précisons, en particulier, la dynamique du composant en vue de décrire un comportement déterministe de l'application. Pour appliquer une validation temporelle exhaustive, nous proposons un modèle de comportement d'un Bloc Fonctionnel à l'aide du formalisme des automates temporisés. D'autre part, nous fournissons une sémantique au concept de réseau de Blocs Fonctionnels pour décrire une application comme une composition de Blocs. Une deuxième contribution de la thèse est le déploiement de tels réseaux sur une architecture distribuée multi-tâches tout en respectant des propriétés sur les temps de réponse de bout en bout. Nous transformons un réseau de Blocs Fonctionnels vers un ensemble de tâches élémentaires dépendantes, appelées actions. Cette transformation permet l'exploitation de résultats d'ordonnancement pour valider la correction temporelle de l'application. Pour déployer les blocs d'une application, nous proposons une approche hybride alliant un ordonnancement statique non-préemptif et un autre ordonnancement en ligne préemptif. L'ordonnancement statique permet la construction des tâches s'exécutant sur chaque calculateur. Ces tâches sont vues comme des séquencements statiques d'actions. Elles sont alors à ordonnancer dynamiquement selon une politique préemptive reposant sur EDF (Earliest Deadline First). Grâce à cette approche, nous réduisons le nombre de commutation de contexte en regroupant les actions au sein des tâches. De plus l'ordonnancement dynamique préemptif augmente la faisabilité du système. Enfin, une dernière contribution est une extension de la deuxième. Nous proposons une approche d'allocation de réseaux de blocs fonctionnels sur un support d'exécution distribué. Cette allocation, basée sur une heuristique de Liste, se repose sur la méthode hybride pour assurer un déploiement faisable de l'application. Le problème d'allocation est de trouver pour chaque bloc fonctionnel le calculateur capable de l'exécuter tout en respectant des contraintes fonctionnelles, temporelles et de support d'exécution. Notons enfin que l'heuristique proposée se base sur une technique de retour-arrière pour augmenter l'espace de solutions.

This thesis deals with the temporal validation and the deployment of component-based industrial control applications. We are interested in the Function Blocks approach, defined in the IEC 61499 standard, as a well known component based technology in the industry. A Function Block is an event triggered component owning data to support the application functionalities. The advantage of this technology is the taking into account of the application and also its execution support. The first thesis contribution deals with the interpretation of the different concepts defined in the standard. In particular, we propose a policy defining a deterministic behavior of a FB. To apply an exhaustive temporal validation of the application, we propose a behavioral model of a Block as Timed Automata. On the other hand, we propose a semantic for the concept of FBs networks to develop industrial control applications. The second thesis contribution deals with the deployment of FBs networks in a distributed multi-tasking architecture. Such deployment has to respect classical End to End Response Time Bounds as temporal constraints. To validate the temporal behavior of an application, we propose an approach transforming its blocks into an actions system with precedence constraints. The purpose is to exploit previous theories on the scheduling of real-time systems. To deploy FBs networks in feasible OS tasks, we propose a Hybrid scheduling approach combining an off-line non-preemptive scheduling and an on-line preemptive one. The off-line scheduling allows to construct OS tasks from FBs, whereas the on-line one allows to schedule these tasks according to the classical EDF policy. A constructed OS task is an actions sequence defining an execution scenario of the application. Thanks to this approach, we reduce the context switching at run-time by merging application actions in OS tasks. In addition, the system feasibility is increased by applying an on-line preemptive policy. Finally, the last thesis contribution is an extension of the previous one. We propose an approach allocating FBs networks in a distributed architecture. Based on a heuristic, such approach uses the hybrid method to construct feasible OS tasks in calculators. The allocation problem of a particular application FB is to look for a corresponding calculator while respecting functional, temporal and execution support constraints. We note that the proposed heuristic is based on a back-tracking technic to increase the solutions space.