Bewertung der Umsetzung anhand der Anforderungen

Im Dokument Plattform zur Echtzeit-Co-Simulation für die virtuelle Inbetriebnahme (Seite 150-177)

7.3 Anwendung und Bewertung der Plattform zur Echtzeit-Co-Simulation

7.3.3 Bewertung der Umsetzung anhand der Anforderungen

Mit der Umsetzung und Anwendung der Plattform zur Echtzeit-Co-Simulation konnte ge- zeigt werden, dass sich die in dieser Arbeit diskutierten Lösungen erfolgreich umsetzen lassen. Die im Rahmen der Arbeit erarbeitete Lösung soll nun abschließend hinsichtlich der in Kapitel 2.2 gestellten Anforderungen bewertet werden.

Bewertung zu Anforderung 1: Ganzheitliche Darstellung im Blockschaltbild

Das Blockschaltbild-Modell stellt die virtuelle Produktionsanlage ganzheitlich dar und ist in Modell-Ebenen strukturiert. Auf oberster Ebene entsteht eine Sicht auf die Komponen- ten der virtuellen Produktionsanlage. In den Komponenten ist die detaillierte Modellierung einsehbar. Die Erweiterung des Blockschaltbild-Modells um die Möglichkeit zum Hinterle- gen der Partitionierungsparameter ermöglicht die Anwendung der betrachteten Co-Simu- lationsmechanismen, insbesondere von Partitionierungsmechanismen und der automati-

P

P

P

P_

… Die Problemstellung konnte gelöst werden

… Die Problemstellung konnte nicht gelöst werden

sierten Aufteilung des Gesamtmodells in Teilmodelle. Zusätzlich ist die informationstech- nische Verarbeitung z.B. für die automatische Modellgenerierung damit weiterhin durch das Blockschaltbild-Modell gewährleistet.

Bewertung zu Anforderung 2: Bereitstellung von Integrationsschnittstellen

Aufbauend auf der komponentenbasierten Strukturierung des Blockschaltbilds wurden notwendige Integrationsschnittstellen zur Einbindung disziplinspezifischer Simulationslö- sungen identifiziert. Zur Einbindung von hochspezialisierten Verhaltensmodellen und Si- mulationsbibliotheken konnten verschiedene Integrationsmöglichkeiten gefunden wer- den. Abhängig von der angebundenen Simulationslösung kann eine Integration für NRTOS als auch für RTOS realisiert werden, um die Modelltiefe virtueller Produktionsan- lagen zu erhöhen. Bei allen diskutierten Integrationsschnittstellen bleibt das Blockschalt- bild als ganzheitliche Darstellung der virtuellen Produktionsanlage erhalten. Im Fall einer verteilten Modellierung wird das Teilmodell im Blockschaltbild als „Black-Box“ zur Kopp- lung an das Gesamtmodell dargestellt. Im konkreten Simulationsszenario zur physikba- sierten Materialflusssimulation konnte durch die Einbindung einer hochauflösenden phy- sikbasierten Simulation zur Berechnung einer Materialflussszene eine Erhöhung der Mo- delltiefe erreicht werden. Physikalische Effekte wie z.B. Verklemmungen oder Korrelatio- nen zwischen Förderbandgeschwindigkeiten und der Geometrie der Fördergüter konnten erkannt und bislang nicht abbildbare Fehlerfälle nachgestellt werden.

Bewertung zu Anforderung 3: Automatisierte Konfiguration der Co-Simulation

Zur Erfüllung von Anforderung 3 wurde neben der Entwicklung eines automatisierten Partitionierungsmechanismus die automatisierte Konfiguration des Simulators gelöst. Die entworfenen Abläufe in der Modellierungs- und Initialisierungsphase ermöglichen durch das Hinterlegen von Partitionierungsparametern in den Komponenten- und Simulations- bibliotheken eine automatisierte Partitionierung des Blockschaltbilds. Zur Initialisierung und Kopplung der Echtzeit-Co-Simulation wurde die Ableitung von initialisierbaren Teil- modellen aus den Partitionen betrachtet. Beim Lösen einer Partition aus dem Modellgraph werden die Koppelsignale zu den anderen Partitionen identifiziert. Im Rahmen der Teil-

modellerzeugung werden dann die Koppelschnittstellen zwischen den Partitionen auto- matisch angelegt und die Ausführungsreihenfolge der einzelnen Teilmodelle bestimmt. Mit den erzeugten Teilmodellbeschreibungen werden die einzelnen Simulationstasks der Echtzeit-Co-Simulation automatisch initialisiert und miteinander gekoppelt. In den reali- sierten Simulationsszenarien wurde die Machbarkeit der automatisierten Konfiguration der Co-Simulation dargestellt.

Bewertung zu Anforderung 4: Erfüllung der Anforderungen einer HILS-RTOS

Mit der in Kapitel 5.3.3 getroffenen Festlegung, dass eine einzelne RTOS-Simulationstask die Kommunikation mit dem industriellen Steuerungssystem übernimmt, kann die verlust- freie und zeitsynchrone Kommunikation mit dem industriellen Steuerungssystem (Anfor- derung 4.1) als erfüllt angesehen werden.

Eine weitere Anforderung ist die Sicherstellung einer taktgenauen Reproduzierbarkeit ei- nes Simulationslaufs (Anforderung 4.2). Hierzu wurde in der Signalnachverarbeitung eines Koppelsignal-Empfängerbausteins die Überprüfung auf Reproduzierbarkeit eingefügt. Da in der entwickelten Datenhaltung nur ein einziger Wert eines Koppelsignals abliegt und auf Basis des Prinzips des „löschenden Lesens“ nur ein neuer Wert des Koppelsignals geschrieben werden kann, wenn das vorherige Koppelsignal abgeholt wurde, liegt eine einwandfreie Synchronisation vor, die einen Verlust der Reproduzierbarkeit verlässlich er- kennt. Während auf der Peripherie- und RT-Ebene die Taktung durch das RTOS erfolgt, werden NRTOS-Simulationstasks über den entwickelten Synchronisationsmechanismus getaktet. Der in Kapitel 6.3 entworfene Synchronisationsmechanismus einer NRTOS-Si- mulationstask prüft zyklisch die Verfügbarkeit der Koppelsignaleingänge. Sobald alle Kop- pelsignaleingänge vorliegen, wird ein Simulationsschritt durchgeführt. Damit synchroni- sieren sich die gekoppelten NRTOS-Simulationstasks auf das RTOS auf. Bei der Konfigura- tion der Echtzeit-Co-Simulation muss allerdings berücksichtigen werden, dass in den NRTOS-Simulationstasks variierende Antwortzeiten oder eine erhöhte Berechnungszeit auftreten kann, die zu Verzögerungen im Ablauf führen. Dies muss durch eine großzügige Auslegung der Simulationstakte der NRTOS-Simulationstask berücksichtigt werden. Damit

Bewertung zu Anforderung 5: Simulationstasks mit unterschiedlicher Taktung und Ausführungsplattform (RTOS, NRTOS)

Die betrachtete Echtzeit-Co-Simulationsarchitektur berücksichtigt die Integration von Si- mulationstasks mit differenzierter Taktung und unterschiedlicher Ausführungsplattform (RTOS und NRTOS). Bei den Betrachtungen der Modellierung und Initialisierung in Kapitel 5 als auch dem Entwurf des Kopplungs- und Synchronisationsmechanismus in Kapitel 6 wurde dies berücksichtigt.

Tabelle 7.5 bewertet die erarbeitete Plattformlösung hinsichtlich den Anforderungen. Die vorliegende Arbeit leistet einen wissenschaftlichen Beitrag zur Anwendung von Co-Simu- lationsarchitekturen bei einer HILS mit industriellen Steuerungssystemen. Mit der erarbei- teten Lösung kann die Rechenleistung von Mehrkernprozessoren ausgenutzt werden und gleichzeitig, basierend auf den erarbeiteten Co-Simulationsmechanismen und den Bedin- gungen an eine Partitionierung, die Einhaltung der Anforderungen einer HILS-RTOS ge- währleistet werden.

Plat tf orm z ur Ec htz eit -Co - Sim ulat ion

A1: Ganzheitliche Darstellung im Blockschaltbild A2: Bereitstellung von Integrationsschnittstellen

A2.1: Integrationsschnittstellen für NRTOS-Simulationen A2.2: Integrationsschnittstellen für RTOS-Simulationen A3: Automatisierte Konfiguration der Co-Simulation

A3.1: Automatisierter Partitionierungsmechanismus A3.2: Automatisierte Konfiguration und Kopplung A4: Erfüllung der Anforderungen einer HILS-RTOS

A4.1: Verlustfreie und zeitsynchrone Kommunikation mit dem Steuerungssystem

A4.2: Taktgenaue Reproduzierbarkeit von Simulationsläufen A5: Simulationstasks mit unterschiedlicher Taktung und

Ausführungsplattform (RTOS, NRTOS)

Tabelle 7.5: Bewertung der erarbeiteten Plattform zur Echtzeit-Co-Simulation hin-

sichtlich den Anforderungen

P

P

P

P

P

P

P

P

P_

… Anforderung ist erfüllt

Bei der VIBN steigen die Anforderungen an die Aussagekraft einer virtuellen Produktions- anlage zur umfassenden Abbildung der Wechselwirkungen zwischen Prozess, Maschine, Steuerungssystem und Bediener. Die Zunahme der Modellkomplexität virtueller Produkti- onsanlagen stellt die Echtzeitsimulation im Rahmen einer HILS-RTOS vor neue Herausfor- derungen. Ziel der Arbeit ist die Steigerung des erreichbaren Konkretisierungsgrads beim Einsatz einer virtuellen Produktionsanlage im Rahmen der HILS-RTOS durch die Erhöhung der erzielbaren Modellkomplexität. Um den in der Arbeit dargestellten Problemstellungen des beschränkten Konkretisierungsgrads an der virtuellen Produktionsanlage, der be- grenzten Rechenleistung, der fehlenden Integrationsmöglichkeiten sowie der ausstehen- den Betrachtung von Co-Simulationsarchitekturen für die HILS-RTOS zu begegnen, be- schäftigte sich diese Arbeit mit der Konzeption und der Entwicklung einer Plattform zur Echtzeit-Co-Simulation.

Bestehende wissenschaftliche Arbeiten sowie bestehende industrielle Lösungen werden den definierten Anforderungen an eine Plattform zur Echtzeit-Co-Simulation für die HILS aufgrund der fehlenden Betrachtung von Co-Simulationsarchitekturen im Bereich der HILS-RTOS oder den spezifischen Randbedingungen bei der Einbindung industrieller Steu- erungssysteme sowie bei der Abbildung von virtuellen Produktionsanlagen nicht gerecht. Bestehende Modellanpassungskonzepte im Forschungsgebiet der HILS-RTOS lösen das Problem der beschränkten Rechenleistung nicht. Bestehende Parallelisierungskonzepte beschränken sich auf eine geschlossene Simulationsarchitektur und eine simulationsdis- ziplinspezifische Parallelisierung. Eine allgemeine Betrachtung basierend auf einer Block- schaltbild-Modellierung erfolgt nicht. Die Betrachtung einer Co-Simulationsarchitektur für die HILS-RTOS wurde daher als Ziel der Arbeit definiert.

Die in der Arbeit durchgeführte Konzeption der Plattform zur Echtzeit-Co-Simulation ori- entiert sich an den Phasen eines Simulationslauf: Der Modellierungs-, der Initialisierungs- und der Echtzeitberechnungsphase.

Zur Konzeption der Modellierung und Initialisierung wurde zu Beginn die ganzheitliche Darstellung einer virtuellen Produktionsanlage im generierbaren Blockschaltbild auf Basis einer komponentenbasierten Strukturierung des Modells eingeführt. Danach wurden un- terschiedliche Integrationsschnittstellen zur Einbindung von disziplinspezifischen Simula- tionslösungen definiert. Zur Parallelisierung der Modellberechnung wurde zuerst in Co- Simulationsarchitekturen eingeführt, um dann die komponentenübergreifende Partitio- nierung zu diskutieren. Hierzu wurden Echtzeit-Ebenen definiert und Bedingungen zur Auslagerung von Teilmodellen in einer Echtzeit-Co-Simulationsarchitektur festgelegt. Zur automatisierten Initialisierung und Kopplung der Echtzeit-Co-Simulation im direkten An- schluss an eine automatische Modellgenerierung wurden das Hinterlegen von Partitionie- rungsparametern in den Simulations- und Komponentenbibliotheken, ein automatisierter heuristischer Partitionierungsmechanismus und die Abläufe in der Initialisierungsphase be- schrieben.

Für die Durchführung der Echtzeitberechnung in einer Echtzeit-Co-Simulationsarchitektur wurden ein Kopplungs- und ein Synchronisationsmechanismus entworfen. Der Kopp- lungsmechanismus basiert auf einer direkten Kommunikation zwischen den einzelnen Si- mulationstasks. Neben der Parametrierung des Kommunikationskanals wurden die Sig- nalvorverarbeitung und die Signalnachverarbeitung zum Austausch von Koppelsignalen untersucht. Während die Simulationstasks auf der Peripherie- und der RT-Ebene durch das RTOS synchronisiert werden, war die Entwicklung eines Synchronisationsmechanismus für Simulationstasks unter NRTOS notwendig. Der entworfene Synchronisationsmechanismus verwendet vorhandene Mechanismen aus der NC-Technik. Auf Basis des „löschenden Le- sens“ und der Datenstruktur Block wurde gezeigt, dass eine NRTOS-Simulationstask über die Koppelsignale aufsynchronisiert und bei einer großzügigen Auslegung (Taktung und Modellierung) der NRTOS-Simulationstask zu reproduzierbaren Simulationsläufen im Echt- zeit-Co-Simulationsnetzwerk führt.

Anschließend wurde die Plattform zur Echtzeit-Co-Simulation umgesetzt und in zwei exemplarischen Simulationsszenarien zur Anwendung gebracht. Die Anwendung der

Plattform hat gezeigt, dass der Problemstellung mit der entworfenen Lösung begegnet werden kann und die Anforderungen erfüllt werden.

Mit der in dieser Arbeit entworfenen Plattform zur Echtzeit-Co-Simulation können nun, auf Basis der gesteigerten nutzbaren Rechenleistung, weiterführende wissenschaftliche Betrachtungen zur Steigerung der Modelltiefe in den unterschiedlichen Simulationsdiszip- linen durchgeführt werden. Die bei bisherigen wissenschaftlichen Betrachtungen be- schränkte Rechenleistung wurde im Rahmen der Arbeit durch die Parallelisierung der Mo- dellberechnung in einer Echtzeit-Co-Simulationsarchitektur aufgebrochen. Die erarbeite- ten Integrationsmöglichkeiten hochspezialisierter Simulationslösungen bieten darüber hinaus vielversprechende Möglichkeiten für die Einbindung spezifischer Verhaltensmo- delle in die virtuelle Produktionsanlage und die Untersuchung neuer Anwendungsszena- rien.

Darüber hinaus sind anknüpfende wissenschaftliche Betrachtungen der Echtzeit-Co-Simu- lationsarchitektur denkbar. Neben dem im Rahmen dieser Arbeit betrachteten heuristi- schen Partitionierungsmechanismus ist in aufbauenden Arbeiten die Betrachtung von nu- merischen und informationstechnischen Partitionierungsmechanismen und deren Auswir- kungen auf die partitionierte Echtzeit-Simulation möglich. Durch die im Rahmen dieser Arbeit durchgeführte Trennung zwischen analogen und partitionierungsmechanis- musspezifischen Abläufen ist die Integration eines neuen Partitionierungsmechanismus in die erarbeitete Plattform gewährleistet. Auf Basis des entwickelten Kopplungs- und Syn- chronisationsmechanismus können Untersuchungen zu neu entwickelten Partitionie- rungsmechanismen in einer Echtzeit-Simulation durchgeführt werden. Zudem beschränkt sich die vorliegende Arbeit auf die verteilte Simulation innerhalb eines Simulations-PCs. Eine zukünftige Betrachtung von, auf mehreren Simulations-PCs verteilten, Simulationen auf Basis der im Rahmen dieser Arbeit eingeführten Echtzeit-Co-Simulationsarchitektur ist vielversprechend.

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