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Open Access
Plattform zur Echtzeit-Co-Simulation für die virtuelle Inbetriebnahme
(Stuttgart : Fraunhofer Verlag, 2019) Scheifele, Christian; Verl, Alexander (Prof. Dr.-Ing. Dr. h.c. mult.)
Im Entwicklungsprozess neuer Produktionsanlagen werden heute im Maschinen- und Anlagenbau abgestimmte Simulationen in verschiedenen Ausprägungen eingesetzt, um die Prozesse zu beschleunigen und die Qualität bei gleichzeitiger Kostensenkung zu erhöhen. Im Entwicklungsprozess kommen Simulationen zur virtuellen Inbetriebnahme von industriellen Steuerungssystemen, im Speziellen im Rahmen der Hardware-in-the-Loop Simulation, zur Anwendung. Für eine umfassende virtuelle Absicherung und Auslegung von Produktionsanlagen müssen die Wechselwirkungen zwischen Prozess, Maschine, Steuerungssystem und Bediener durch die Virtualisierung abgebildet werden. Es besteht eine direkte Korrelation zwischen der Aussagekraft der Virtualisierung und dem möglichen Konkretisierungsgrad im Rahmen einer Hardware-in-the-Loop Simulation. Bestehende Arbeiten zeigen, dass die präzise Abbildung des Prozess- und Maschinenverhaltens in einer Echtzeit-Simulation aufgrund der beschränkten Rechenleistung zunehmend eine große Herausforderung der Hardware-in-the-Loop Simulation für die virtuelle Inbetriebnahme ist. Um diesem wachsenden Defizit zu begegnen, untersucht diese Arbeit die Steigerung der Aussagekraft virtueller Produktionsanlagen für eine umfassende virtuellen Absicherung und Auslegung im Rahmen einer virtuellen Inbetriebnahme. Ziel der Arbeit ist die Konzeption und die Entwicklung einer Plattform zur Echtzeit-Co-Simulation für die Hardware-in-the-Loop Simulation, welche die zur Modellberechnung nutzbare Rechenleistung auf Basis einer parallelisierten Echtzeitberechnung in einer Co-Simulationsarchitektur steigert. Die Arbeit stellt im Rahmen der Untersuchungen zum Stand der Forschung und Technik dar, dass in bestehenden Arbeiten aus dem Bereich der Hardware-in-the-Loop Simulation mit industriellen Steuerungssystemen die Untersuchung von Co-Simulationsarchitekturen und damit die Verteilung der Berechnung auf mehrere Simulationstasks zur Steigerung der Modellkomplexität bislang ausstehend ist. Bestehende Arbeiten zur Co-Simulation aus anderen Simulationsdomänen werden den spezifischen Anforderungen an eine Plattform zur Echtzeit-Co-Simulation bei der Einbindung industrieller Steuerungssysteme nicht gerecht. Dies macht die Konzeption und die Entwicklung einer Plattform zur Echtzeit-Co-Simulation unter Berücksichtigung einer Einbindung industrieller Steuerungssysteme für eine virtuelle Inbetriebnahme notwendig. Die Konzeption der Plattform zur Echtzeit-Co-Simulation im Rahmen der Arbeit ist in die Teilaufgaben der Konzeption der Modellierung und Initialisierung und in den Entwurf eines Kopplungs- und Synchronisationsmechanismus für die Echtzeitberechnung unterteilt. Die Modellierung der virtuellen Produktionsanlage erfolgt in einer ganzheitlichen Darstellung in einem generierbaren Blockschaltbild auf Basis einer komponentenbasierten Strukturierung. Zur Einbindung leistungsfähiger disziplinspezifischer Simulationslösungen werden unterschiedliche Integrationsmöglichkeiten zur Verfügung gestellt. Zur Parallelisierung der Modellberechnung in einer Echtzeit-Co-Simulationsarchitektur werden unterschiedliche Möglichkeiten zur Modellpartitionierung aufgezeigt und ein heuristischer Partitionierungsmechanismus entworfen. Dem hohen Aufwand einer manuellen Modellerstellung für eine virtuelle Inbetriebnahme begegnen heute bereits Ansätze der automatischen Modellgenerierung, welche sich in den Entwicklungsprozess neuer Produktionsanlagen integrieren. Durch die Realisierung einer automatisierten Parametrierung, Initialisierung und Kopplung der Echtzeit-Co-Simulation im Anschluss an eine automatische Modellgenerierung wird der wirtschaftliche Einsatz der entworfenen Plattformlösung im Maschinen- und Anlagenbau sichergestellt. Der Entwurf des Kopplungs- und Synchronisationsmechanismus berücksichtigt sowohl die Einhaltung der verlustfreien und zeitsynchronen Kommunikation mit dem Steuerungssystem als auch die Gewährleistung der Reproduzierbarkeit von Simulationsläufen im Rahmen einer Hardware-in-the-Loop Simulation. Beim Entwurf des Kopplungs- und Synchronisationsmechanismus wird eine Echtzeit-Co-Simulationsarchitektur aus Simulationstasks mit unterschiedlicher Taktung als auch unterschiedlicher Ausführungsplattform berücksichtigt. Die Arbeit schließt mit der Realisierung der entworfenen Plattform zur Echtzeit-Co-Simulation sowie deren Anwendung in zwei beispielhaften Simulationsszenarien. Es wird dargestellt, wie mit der entworfenen Plattform der Problemstellung dieser Arbeit in den ausgewählten Materialflussszenarien begegnet werden kann. Die Umsetzung der Plattform wird anhand der definierten Anforderungen der Arbeit bewertet.