Plattform zur Echtzeit-Co-Simulation für die virtuelle Inbetriebnahme

Abstract

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.

In the development process of new production plants, simulations in various forms are used today in mechanical and plant engineering to accelerate processes and to increase quality while simultaneously reducing costs. In the development process, simulations are used for virtual commissioning of industrial control systems, in particular in hardware-in-the-loop simulations. For a comprehensive virtual validation and design of production plants, the interactions between process, machine, control system and operator must be mapped by the virtualization. There is a direct correlation between the expressiveness of the virtualization and the achievable degree of concretization within the context of a hardware-in-the-loop simulation. Existing investigations have shown that the precise mapping of process and machine behaviour in a real-time simulation is increasingly a major challenge of hardware-in-the-loop simulation for virtual commissioning due to the limited computing power. In order to face this growing deficit, this thesis investigates the increase of the informative value of virtual production plants for a comprehensive virtual validation and design during virtual commissioning. The objective of this thesis is the conception and development of a platform for real-time co-simulation for hardware-in-the-loop simulations, which increases the usable computing power for model calculation based on a parallel real-time calculation in a co-simulation architecture. In the context of the state of the art and research investigations, this work shows that the investigation of co-simulation architectures and thus the distribution of the calculation to several simulation tasks in order to increase the model complexity is still pending in the field of hardware-in-the-loop simulations with industrial control systems. Existing work on co-simulation from other simulation domains does not meet the specific requirements for a platform for real-time co-simulation with regard to the integration of industrial control systems. This requires the conception and development of a platform for real-time co-simulation under consideration of an integration of industrial control systems for virtual commissioning. The conception of the platform for real-time co-simulation in this thesis is divided into the subtasks of the conception of modelling and initialization and into the design of a coupling and synchronization mechanism for real-time simulation. The modelling of the virtual production plant is done in a holistic representation in a block diagram that can be generated on the basis of a component-based structuring. For the integration of powerful discipline-specific simulation solutions, different integration methods are provided. In order to parallelize the model calculation in a real-time co-simulation architecture, different possibilities for model partitioning are shown and a heuristic partitioning mechanism is designed. The high effort of manual model creation for virtual commissioning is already met by approaches of automatic model generation, which are integrated into the development process of new production plants. The realization of an automated parameterisation, initialization and coupling of a real-time co-simulation after an automatic model generation ensures the economic use of the designed platform solution in mechanical and plant engineering. The conception of a coupling and synchronization mechanism takes into account both the requirement for lossless and time-synchronous communication with the control system and the guarantee of reproducibility of simulation runs in a hardware-in-the-loop simulation. In the conception of the coupling and synchronization mechanism, a real-time co-simulation architecture of simulation tasks with different clocking and execution platforms is considered. The thesis concludes with the realization of the designed platform for real-time co-simulation and its application in two simulation scenarios. It is shown how the designed platform can be used to solve the problem of this work in the chosen material flow scenarios. The realization of the platform is evaluated on the basis of the defined requirements of the thesis.