Kommerzielle Co-Simulationsplattformen

Im Dokument Plattform zur Echtzeit-Co-Simulation für die virtuelle Inbetriebnahme (Seite 60-65)

3.2 Konzepte zur Steigerung der Modellkomplexität durch Co-Simulation

3.2.1 Kommerzielle Co-Simulationsplattformen

… Kann die Problemstellung nicht lösen … Löst die Problemstellung

Weiteren die Softwarelösungen Model.CONNECT, TWT CoSimLab und CosiMate betrach- tet und den Anforderungen der Arbeit gegenüber gestellt.

Die Softwarelösung Model.CONNECT wird von der österreichischen AVL List GmbH ent- wickelt und vertrieben. Model.CONNECT wirbt mit der Kopplung von virtuellen und rea- len Komponenten, unter anderem für die HILS. In einer Blockschaltbild-Oberfläche wer- den Teilmodelle als Bausteine dargestellt und über ihre Ein- und Ausgänge miteinander gekoppelt. Zur Einbindung von Teilmodellen unterstützt Model.CONNECT das Functional Mock-up Interface (FMI) (Blochwitz et al. 2012). Im Fokus des FMI Standards steht die Kopplung von Teilmodellen zu einem Gesamtmodell durch eine einheitliche Datenschnitt- stelle. FMI beschreibt, wie Simulationsmodelle als Functional Mock-up Unit (FMU) gespei- chert und als „Black-Box“ in andere Simulationswerkzeuge importiert werden können. Model.CONNECT bietet darüber hinaus verschiedenste proprietäre Schnittstellen zu dis- ziplinspezifischen Simulationswerkzeugen, wie z.B. Adams, SIMPACK, LabVIEW, MAT- LAB, Dymola und OpenModelica. Die Co-Simulationsplattform ist spezialisiert auf Simula- tionsanwendungen im Bereich der Fahrzeugentwicklung. Schnittstellen zu industriellen Steuerungssystemen werden derzeit nicht unterstützt.

Das TWT CoSimLab entstand aus verschiedenen Forschungsprojekten der TWT GmbH Science & Innovation (Deutschland). Durch Einsatz des TWT CoSimLabs können beste- hende Teilmodelle zu einer Co-Simulation gekoppelt werden. Zur Integration von Teilmo- dellen dient der FMI Standard. In der Benutzeroberfläche kann die Co-Simulation konfi- guriert, beobachtet und nachbearbeitet werden. Zur Modellberechnung steuert das TWT CoSimLab die Simulation der Teilmodelle und den Datenaustausch zwischen den Teilmo- dellen mit dem sogenannten „Co-Sim Router“. Eine Synchronisierung erfolgt zu den Zeit- schritten der Co-Simulation. Durch Parallelisierung der Berechnung und Verteilung auf verschiedenen Rechnersystemen wirbt das TWT CoSimLab mit einer Beschleunigung der Berechnung. Eine Echtzeitsimulation und damit die Bereitstellung von Mechanismen zur Berücksichtigung von Echtzeitanforderungen stehen nicht im Fokus des TWT CoSimLabs. Darüber hinaus werden Möglichkeiten zur Anbindung realer Hardware-Komponenten nicht erwähnt.

Die Softwarelösung CosiMate von der französischen Firma Chiastek bildet eine Plattform zur Co-Simulation eines Gesamtsystems. CosiMate hat sich darauf spezialisiert, Simulati- onswerkzeuge miteinander zu einer Gesamtsimulation zu koppeln. Neben der reinen Werkzeug-Kopplung unterstützt CosiMate die Integration von FMUs und damit den FMI Standard. Der sogenannte „Co-Simulation Bus“ dient zur Synchronisation und zum Da- tenaustausch zwischen den einzelnen miteinander gekoppelten Simulationswerkzeugen. Zur Konfiguration der Co-Simulation dient eine grafische Benutzerschnittstelle. Eine Echt- zeitsimulation und damit die Bereitstellung von Mechanismen zur Berücksichtigung von Echtzeitanforderungen stehen nicht im Fokus von CosiMate. Möglichkeiten zur Anbin- dung realer Hardware-Komponenten werden derzeit nicht unterstützt.

Die bestehenden kommerziellen Lösungen werden nun hinsichtlich den in Abbildung 2.2 definierten Anforderungen bewertet. Tabelle 3.2 stellt das Ergebnis der Bewertung dar.

Bewertung zu Anforderung 1: Ganzheitliche Darstellung im Blockschaltbild

Bestehende Plattformen zur Co-Simulation verfolgen das Ziel, abgeschlossene Teilmo- delle, welche aus einem Simulationswerkzeug exportiert wurden, oder Simulationswerk- zeuge, welche während der Modellberechnung an die Simulation angebunden werden sollen, in einer Gesamtsimulation zu koppeln. Die Plattformen dienen lediglich der Para- metrierung und Kopplung der abgeschlossenen Teilmodelle und externen Simulations- werkzeuge zu einer Gesamtsimulation. Die Modellierung der Teilmodelle erfolgt aus- schließlich in externen Softwarewerkzeugen. Bestehende Plattformen bieten keine Mo- dellierungsoberfläche zur Modellierung eines Teilmodells, es muss immer auf das spezifi- sche Modellierungswerkzeug zurückgegriffen werden. Nach Tabelle 1.1 beschränkt sich der Funktionsumfang bestehender Plattformen damit auf die Modellkopplung, falls das Gesamtmodell in einer einzelnen Simulationstask berechnet wird, und die Werkzeug- kopplung, falls mehrere Simulationstasks verwendet werden. Die Teilmodelle liegen in- nerhalb der Co-Simulationsplattform als „Black-Box“ vor. Eine Betrachtung des Inneren eines Teilmodells ist in bestehenden Plattformen zur Co-Simulation nicht möglich. Eine ganzheitliche Darstellung und Strukturierung in mehreren Modellebenen ist damit nicht

gewährleistet. Die Darstellung des Gesamtmodells unterscheidet sich damit grundsätzlich von der Darstellung virtueller Produktionsanlagen bei einer HILS-RTOS.

Bewertung zu Anforderung 2: Bereitstellung von Integrationsschnittstellen

Die untersuchten Plattformen bieten neben proprietären Schnittstellen zu disziplinspezifi- schen Simulationswerkzeugen eine Unterstützung von Austauschstandards zur Integra- tion abgeschlossener Teilmodelle. Die Berechnung der Teilmodelle erfolgt entweder im Co-Simulationswerkzeug, falls abgeschlossene Teilmodelle eingebunden wurden, oder im spezifischen Simulationswerkzeug, falls entsprechende Schnittstellen definiert wurden. Eine Einbindung NRTOS-basierter Teilmodelle ist möglich, Integrationsschnittstellen für RTOS unter Einhaltung der Anforderungen an eine HILS-RTOS sind derzeit nicht verfügbar. Bestehende Co-Simulationsplattformen beschränken sich auf die „Black-Box“ Integration und Parametrierung.

Bewertung zu Anforderung 3: Automatisierte Konfiguration der Co-Simulation

Vorhandene Plattformen verfolgen das Ziel einer manuellen Zusammenführung von be- reits bestehenden, abgeschlossenen Teilmodellen zu einem Gesamtmodell. Ein Teilmodell bildet dabei direkt eine eigene Partition der Co-Simulation. Nach Tabelle 1.1 beschränkt sich der Funktionsumfang auf eine Modell- oder Werkzeugkopplung. Die Problemstellung der Arbeit formuliert allerdings, dass ein vorhandenes Gesamtmodell, beschrieben durch ein ganzheitliches Blockschaltbild, durch einen geeigneten Partitionierungsmechanismus automatisiert in geeignete Teilmodelle zerlegt werden soll. Vorhandene Plattformen zur Co-Simulation können diese Problemstellung einer partitionierten Simulation (vgl. Tabelle 1.1) nicht lösen.

Wurde in bestehenden Plattformen die Co-Simulation manuell konfiguriert, erfolgt die Initialisierung und Kopplung der einzelnen Partitionen automatisiert. Allerdings unter- scheiden sich die geforderten Vorgänge einer automatisierten Initialisierung und Kopp- lung essentiell von den bestehenden Lösungen, wenn zunächst ein Gesamtmodell auf Basis eines Partitionierungsmechanismus in Teilmodelle zerlegt und diese dann automati- siert konfiguriert werden sollen.

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

In bestehenden Plattformen koordiniert ein Co-Simulationsmaster die Modellberechnung des Gesamtmodells und enthält die für die Einsatzgebiete der untersuchten Plattformen notwendige Co-Simulationsmechanismen. Bislang sind keine Arbeiten verfügbar, welche eine Einbindung industrieller Steuerungssysteme in eine Co-Simulation vornehmen und die hierfür notwendigen Mechanismen untersuchen. Eine Betrachtung der spezifischen Anforderungen, die bei der Kommunikation einer Co-Simulation mit industriellen Steue- rungssystemen entstehen, erfolgt bislang nicht. Mit bestehenden Plattformen zur Co-Si- mulation kann weder eine verlustfreie und zeitsynchrone Kommunikation mit der Steue- rung gewährleistet noch die Reproduzierbarkeit von Simulationsläufen bei einer HILS- RTOS sichergestellt werden.

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

In untersuchten Plattformen ist die unterschiedliche Taktung von Teilmodellen möglich. Eine Kopplung von Simulationstasks mit unterschiedlichen Ausführungsplattformen unter Echtzeitbedingungen ist derzeit nicht möglich. Eine Betrachtung von Anforderungen, die bei der Einbindung von industriellen Steuerungssystemen entstehen, erfolgt bislang nicht.

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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)

1Die Darstellung des Gesamtmodells unterscheidet sich grundsätzlich von der Darstellung virtueller Produktionsanlagen, lediglich

Modell- und Werkzeugkopplung

2Beschränkung auf „Black-Box“ Modelle

3Keine Berücksichtigung der Anforderungen an eine HILS-RTOS mit industriellen Steuerungssystemen

4Keine partitionierte Simulation: Zusammenführung von Teilmodellen, keine Partitionierung eines Gesamtmodells in Teilmodelle

5Keine Einbindung industrieller Steuerungssysteme; keine Erfüllung von Echtzeitanforderungen der HILS-RTOS

Tabelle 3.2: Bewertung bestehender kommerzieller Plattformen zur Co-Simulation

anhand der Anforderungen

Im Dokument Plattform zur Echtzeit-Co-Simulation für die virtuelle Inbetriebnahme (Seite 60-65)