Seamlessly interfacing automation systems with simulations Environments : A Case Study for FMI and OPC UA

Abstract

Die Digitalisierung der Industrie und die damit verbundene vierte industrielle Revolution (Industrie 4.0) führen zu einem zunehmenden Grad an Automatisierung, sowie automatischen Datenaustausch durch Maschine-zu-Maschine Kommunikation. Die daraus resultierenden Cyber-Physische Systeme (CPS) bieten durch die Vernetzung der Maschinen neue Funktionalität, und ermöglichen die Zusammenarbeit der digitalen Welt mit der realen Welt. Ein wichtiger Bestandteil von CPS sind Simulationen, die sowohl während des Betriebs (zum Beispiel als Teil des digitalen Zwillings) als auch während des Systementwurfs (zum Beispiel als Hardware-in-the-Loop) verwendet werden können. Ein häufig auftretendes Problem, das bei der Kopplung zwischen dem Automatisierungssystem und der Simulationsumgebung eines CPS auftritt, ist, dass diese Systeme nicht mit Blick auf die Interoperabilität (untereinander) konzipiert wurden. Aus dieser Problematik ergibt sich die folgende Forschungsfrage: Wie sieht ein geeigneter Arbeitsablauf aus, um ein Automatisierungssystem, welches durch ein Informationsmodell beschrieben wird, (semi-)automatisch mit einem bestehenden Simulationsmodell zu verbinden, so dass das Automatisierungssystem während der Laufzeit auf die Simulationsdaten zugreifen kann? Ein solcher Arbeitsablauf muss eine Interoperabilitätsschicht (eine sogenannte Mapping Einheit) enthalten, um die beiden Systeme zu verbinden und die Kommunikation zwischen den beiden Systemen zu ermöglichen. Um die Forschungsfrage zu beantworten, wurde folgender methodischer Ansatz gewählt: Zuerst wurde eine Literaturrecherche durchgeführt, um einen Einblick in den Stand der Technik sowie die Möglichkeiten zur Gestaltung einer solchen Interoperabilitätsschicht zu erhalten. Dann wurden mögliche technische Arbeitsabläufe untersucht. Aus der Analyse ergaben sich einige Anforderungen an das Design der Mapping Einheit. Anschließend erfolgte eine Evaluierung mithilfe einer Proof-of-Concept-Implementierung, um die Machbarkeit des vorgeschlagenen Arbeitslaufes und des gewählten Ansatzes zu bewerten. Unter Verwendung der offenen Industriestandards FMI und OPC UA wurde anhand der Proof-of-Concept-Implementierung gezeigt, dass eine Mapping-Einheit entworfen werden kann, die halbautomatisch die Schnittstellen von Automatisierungssystemen und Simulationsumgebungen verbindet und den Datenaustausch zwischen ihnen ermöglicht. Die Funktionalität der Proof-of-Concept-Implementierung wurde an zwei Anwendungsfällen mit unterschiedlichen Schwerpunkten evaluiert. Dabei wurde sowohl die halbautomatischen Matching-Fähigkeiten als auch die Laufzeit-Datenanbindung zwischen den Systemen gezeigt und deren aktuell bestehenden Einschränkungen diskutiert.

The digitalization of the industry and the associated fourth industrial revolution (Industry 4.0) leads to increased automation, as well as to automatic data exchange through machine-to-machine communication. The consequent Cyber-physical systems (CPS) offer new functionalities through machine interconnection, and enable cooperation of the digital "cyber" world with the "physical" world (the real systems). An important part of CPS are simulations which can be used during operation (for example as a part of the digital twin), as well as during system design (for example as hardware-in-the-loop). A problem that often arises when connecting automation systems and simulation environments of a CPS, is that the systems were not designed with interoperability (with each other) in mind. This problem results in the following research question: What is an appropriate workflow to (semi-)automatically connect an automation system described by an information model to an existing simulation model - enabling the automation system to access the simulation data during runtime? Such workflow needs to incorporate an interoperability layer (a so-called mapping unit), in order to connect the two systems, and to enable the communication between them. In order to answer the research question and achieve the goals of this thesis, the following methodological approach has been taken: first, a literature survey has been conducted, in order to gain insight into the state of the art, as well as the possibilities for designing such an interoperability layer. Next, possible engineering workflows were explored. The analysis yielded some requirements on the design of the mapping unit. And lastly, a proof-of-concept implementation was designed, which was used to evaluate the feasibility of the proposed workflow and the chosen approach. Utilizing the open industry standards FMI and OPC UA with the proof-of-concept implementation, it was shown that a mapping unit, which semi-automatically connects the interfaces of automation systems and simulation environments and enables data exchange between them, can be designed. The functionality of the proof-of-concept implementation was evaluated using two use cases with different focuses, thus demonstrating both the semi-automatic matching capabilities, in addition to the runtime data flow capabilities between the systems, as well as the current limitations of the proof-of-concept implementation.