Anforderungen in der Modellierungs und Initialisierungsphase

Im Dokument Plattform zur Echtzeit-Co-Simulation für die virtuelle Inbetriebnahme (Seite 43-47)

2.2 Anforderungen an eine Plattform zur Co-Simulation

2.2.1 Anforderungen in der Modellierungs und Initialisierungsphase

Zur Modellierung sind Modellierungsansätze verfügbar, welche entweder auf mathema- tischen Gleichungen oder einer grafischen Darstellung basieren (Gipser 1999). Ein grafi- scher Modellierungsansatz ist das Blockschaltbild (oder Strukturbild) (Norm DIN 19226:1968-05) zur Abbildung der Wirkstruktur eines dynamischen Systems. Das Block- schaltbild beschreibt, „aus welchen Teilsystemen sich ein System zusammensetzt und wie die Teilsysteme durch Signale verkoppelt sind“ (Lunze 2016). Kufner führt darüber hinaus den Programmcode, Modellierungsmittel der Ablauflogik, algebraische Gleichungssys- teme, Listen oder Strukturdiagramme als Modellierungsansätze auf (Kufner 2012). Röck verwendet eine Blockschaltbild-Modellierung zur Beschreibung des Verhaltens von virtu- ellen Produktionsanlagen im Rahmen einer HILS-RTOS (Röck 2007). Vorteile einer Block- schaltbild-Modellierung sind:

 Verständliche Modellierung durch eine vereinfachende Beschreibung: Die Verschaltung der Peripherie-Signale mit den Ein- und Ausgängen der Modellbau- steine aus den einzelnen disziplinspezifischen Simulationsbibliotheken in einem Blockschaltbild ist für alle am Entwicklungsprozess einer Produktionsanlage betei- ligten Disziplinen (Mechanik, Elektronik, Software) verständlich. Besonders für den Steuerungstechniker weist die Blockschaltbild-Modellierung Ähnlichkeiten zur gra- fischen SPS-Programmierung mit der Funktionsbausteinsprache (FBS) (Pritschow 2006) nach Norm DIN EN 61131-3:2014-06 auf.

 Einfache Modellierung komplexer Verhaltensmodelle: Das Simulationswerk- zeug stellt dem Anwender Simulationsbibliotheken bereit, die es ihm erlauben komplexe Modelle auf Basis einfacher Grundmodelle leicht verständlich zu model- lieren und zu parametrieren. Dabei sind meist keine tiefgreifenden Kenntnisse über die eingesetzten mathematischen Algorithmen notwendig.

 Unterstützt die Modellierung in verschiedensten Simulationsdisziplinen: Das Blockschaltbild stellt einen Modellierungsansatz dar, der die Modellierung von Verhaltensmodellen von vielen relevanten Simulationsdisziplinen ermöglicht. Das

Blockschaltbild eignet sich besonders zur Modellierung von konzentrierten Syste- men. Für verteilte Systeme sind Blockschaltbilder eher ungeeignet. Falls eine Simu- lationsdisziplin den Einsatz eines anderen Modellierungsansatzes erfordert, kann über einen „Black-Box“ Ansatz das Verhaltensmodell nach außen über die Ein- / Ausgänge und Parameter beschrieben und in das Simulationsmodell integriert wer- den.

 Unterstützt die informationstechnische Verarbeitung z.B. für die automa-

tische Modellgenerierung: Blockschaltbild-Modelle können auf Basis einer for-

malen Sprache, wie z.B. durch XML (Extensible Markup Language), zur informati- onstechnischen Verarbeitung dargestellt werden. Dieser Aspekt bildet unter ande- rem die Basis für Ansätze einer automatischen Modellgenerierung.

Insbesondere aufgrund des letzten Vorteils der Blockschaltbild-Modellierung wird das Ver- haltensmodell einer virtuellen Produktionsanlage für die HILS-RTOS in dieser Arbeit eben- falls als Blockschaltbild realisiert. Die Unterstützung einer informationstechnischen Verar- beitung ist von großer Bedeutung, da zur Durchführung einer HILS-RTOS der größte Auf- wand bei der Erstellung geeigneter Simulationsmodelle für die VIBN entsteht. Zur Errei- chung eines wirtschaftlichen Einsatzes einer VIBN im Entwicklungsprozess sind daher Lö- sungen zur automatischen Generierung virtueller Produktionsanlagen auf Basis wieder- verwendbarer Modelle und der Verwendung der Blockschaltbild-Modellierung zur Be- schreibung des Verhaltens verfügbar (Scheifele et al. 2016a). Hierbei wird eine verein- fachte Integration der VIBN in die Abläufe des Entwicklungsprozesses des Maschinen- und Anlagenbaus erreicht, indem aus Daten und Dokumenten des Entwicklungsprozesses au- tomatisch das Blockschaltbild-Modell der virtuellen Produktionsanlage abgeleitet wird. Das Blockschaltbild-Modell wird dabei aus den einzelnen Komponentenmodellen zusam- mengesetzt. Eine Komponente kann auch als ein „mechatronisches Maschinenmodul (MU, englisch „Machine Unit“)“ bezeichnet werden, das als „zueinander kompatible, in- stanziierbare, versions- und variantenbehaftete mechatronische Einheiten ohne eigenes Steuerungssystem“ (Scheifele et al. 2016a) definiert ist. Das Simulationsmodell einer MU

unterteilt sich in ein „Verhaltens- (BU, englisch behaviour unit)“ und in ein „Geometrie- modell (GU, englisch graphical unit)“ welche zusammen das „virtuelle Modul (VU, englisch virtual unit)“ darstellen (Scheifele et al. 2016a). Das VU ist das „virtuelle Äquivalent zur MU im Baukasten“ (Scheifele et al. 2016a). Das BU steht für das Komponentenmodell, welches als Blockschaltbild-Modell vorliegt. Bei der automatischen Modellgenerierung werden die BU zu einem kundenspezifischen Blockschaltbild-Modell der virtuellen Pro- duktionsanlage zusammengesetzt.

Auf oberster Modellebene entsteht eine Sicht auf die MU der virtuellen Produktionsan- lage, die die Anlage flach beschreibt und das Systemverständnis für das Gesamtsystem fördert. Betrachtet man das Innere einer BU ist die detaillierte Modellierung einsehbar. Das Blockschaltbild stellt die virtuelle Produktionsanlage damit ganzheitlich dar.

Diese Betrachtung führt zur Anforderung einer ganzheitlichen Darstellung der virtuellen Produktionsanlage im Blockschaltbild. Die zu betrachtenden Co-Simulationsmechanismen müssen auf der Blockschaltbild-Modellierung und der beschriebenen Strukturierung in ei- ner komponentenbasierten Beschreibung mit mehreren Modellebenen aufsetzen.

Anforderung 2 Bereitstellung von Integrationsschnittstellen

In den letzten Jahren im Kontext der Digitalen Fabrik entstandene disziplinspezifische Si- mulationslösungen sind mittlerweile sehr leistungsfähig im Hinblick auf die Abbildungs- genauigkeit als auch die Berechnungsperformanz. Für eine umfassende und aussagekräf- tige Abbildung des Prozess-, Maschinen- und Anlagenverhaltens sowie den auftretenden Wechselwirkungen müssen diese Lösungen in die virtuelle Produktionsanlage integriert werden. Beim Entwurf des Gesamtkonzepts müssen hierzu Integrationsschnittstellen be- rücksichtigt werden.

Bestehende, disziplinspezifische Simulationslösungen, wie beispielweise „Physik-Engi- nes“2, sind hauptsächlich für die Verwendung unter einem NRTOS ausgelegt. Meist wird

2 Physik Engine – „Funktionseinheit der Informationstechnologie zur Simulation physikalischer Prozesse“

(Wikipedia 2018a), u.a. die 3D-Kollisionserkennung, die Starrkörpersimulation sowie die Simulation fle- xibler Körper

eine Anwendung auf anderen Ausführungsplattformen, im Speziellen auf einem RTOS unter Echtzeitbedingungen, nicht unterstützt. Daher besteht sowohl die Anforderung nach Integrationsschnittstellen für RTOS-Simulationen als auch die Anforderung nach In- tegrationsschnittstellen für NRTOS-Simulationen um spezielle, hochspezialisierte Lösun- gen integrieren zu können.

 Anforderung 2.1 Integrationsschnittstellen für NRTOS-Simulationen  Anforderung 2.2 Integrationsschnittstellen für RTOS-Simulationen

Anforderung 3 Automatisierte Konfiguration der Co-Simulation

Der Aspekt der hohen personellen Aufwände für den Einsatz von Simulationswerkzeugen wird zudem durch das Fehlen von qualifiziertem Personal im Unternehmen verschärft (VDMA 2017). Das Fehlen von Mitarbeitern „mit entsprechender Erfahrung oder Expertise auf dem Gebiet der VIBN“ (Norm VDI/VDE 3693 Blatt 2:2018-12) ist ein Grund, weshalb „die Neueinführung der VIBN in einem Unternehmen mit einer Reihe von Herausforde- rungen verbunden ist“ (Norm VDI/VDE 3693 Blatt 2:2018-12). Steigt die Modellkomple- xität der virtuellen Abbilder und wird die Konfiguration des Simulators aufgrund von Par- titionierung und parallelisierter Simulation komplexer, müssen sich Simulationslösungen umso mehr benutzerfreundlich in den Entwicklungsprozess integrieren, um die Akzeptanz und Umsetzbarkeit bei den Anwendern im Maschinen- und Anlagenbau zu gewährleis- ten. Um den wirtschaftlichen Einsatz der entworfenen Plattformlösung im Maschinen- und Anlagenbau sicherzustellen, sind Mechanismen zur automatisierten Konfiguration der Co-Simulation notwendig. Nur durch eine automatisierte Konfiguration kann die Um- setzbarkeit bei den Anwendern im Maschinen- und Anlagenbau gewährleistet werden. Das Blockschaltbild-Modell einer virtuellen Produktionsanlage soll direkt und ohne weitere manuelle Modellierungsaufwände in einer Co-Simulation verteilt werden. Die Partitionie- rung des Gesamtmodells und die Konfiguration des Simulators zur Co-Simulation müssen zwingend automatisiert erfolgen, um einen weiteren Modellierungsaufwand zu verhin- dern.

Die Anforderung nach einer automatisierten Konfiguration der Co-Simulation unterglie- dert sich in die Anforderung nach einem automatisierten Partitionierungsmechanismus und in die Anforderung nach einer automatisierten Konfiguration der Simulationstasks.

 Anforderung 3.1 Automatisierter Partitionierungsmechanismus

Zur Verteilung der Berechnung auf mehrere Simulationstasks muss das ganzheitli- che Blockschaltbild-Modell automatisiert in passende Partitionen zerteilt werden. Hierzu ist die Entwicklung eines Partitionierungsmechanismus erforderlich. Bei der Partitionierung des Gesamtmodells entstehen einzelne Partitionen, für die sich spe- zifische Eigenschaften formulieren lassen.

 Anforderung 3.2 Automatisierte Konfiguration und Kopplung

Zur automatisierten Konfiguration der Simulationstasks müssen aus den einzelnen Partitionen die jeweilige Konfiguration einer Simulationstask automatisiert abge- leitet werden. Hierzu zählen neben der Taktung weitere Eigenschaften wie die Ausführungsplattform (RTOS, NRTOS). In der Initialisierungsphase erfolgt die auto- matisierte Initialisierung der Simulationstasks durch die Initialisierung der Teilmo- delle. Die Simulationstasks müssen automatisiert miteinander gekoppelt werden, um im Rahmen der Modellberechnung die bei der Partitionierung des Gesamtmo- dells entstehenden Koppelsignale austauschen zu können. Hierbei zu beachten ist, dass das Konzept die Initialisierung und Kopplung von Simulationstasks auch über Plattformgrenzen hinweg (RTOS, NRTOS) berücksichtigt.

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