Kopplung von Simulation und Automationsinfrastruktur : eine auf FMI und IEC 61499 basierende Analyse : a study based on the FMI and IEC 61499

Abstract

Obwohl sie von einer breiten Öffentlichkeit oft nicht bemerkt werden, beeinflussen Automationssysteme weite Bereiche unseres täglichen Lebens. Die Herstellung vieler hochqualitativer Güter, eine kontinuierliche Energieversorgung oder moderne Gebäudetechnik beispielsweise basieren auf hochgradig automatisierten Prozessen. Mittels numerischer Simulation können diese Systeme mit reduziertem Prototypenaufwand entwickelt werden. Allerdings sind direkte Interaktionsmöglichkeiten mit Automationssystemen während deren Laufzeit bislang limitiert. Um die effiziente Entwicklung komplexer, zuverlässiger Cyber-physical Systems voranzutreiben, werden im Zuge dieser Arbeit Kopplungsmöglichkeiten zwischen ereignisbasierten Automationssystemen und numerischen Simulationen systematisch identifiziert. Einsatzbereiche dieser Kopplungspunkte reichen von hybriden Simulationen kontinuierlicher Anlagenmodelle mit diskreten Regelungen bis hin zur Emulation realer Anlagenteile, welche in einem Laborumfeld schwer realisierbar sind. Die hier präsentierte Forschung wird auf Basis offener Standards, speziell der IEC 61499 für Automationssysteme und den Functional Mock-up Interface (FMI) Standards für numerische Simulationen, durchgeführt. Durch die systematische Diskussion können zahlreiche Kopplungspunkte und -strategien in einer umfassenden qualitativen Studie identifiziert und klassifiziert werden. Eine prototypische Implementierung eines Simulationsprogramms zur Erzeugung virtueller Komponenten ergänzt die eingangs durchgeführte Studie. Um die implementierte Methodik zu evaluieren, werden zwei Testfälle aus dem Bereich der intelligenten elektrischen Energienetze umgesetzt und ausgewertet. Die Testfälle demonstrieren, dass die Instanziierung von standardbasierten virtuellen Komponenten in Automationsinfrastruktur prinzipiell umsetzbar ist und dass der Einsatz einer neuartigen vorhersagebasierten Ereignissynchronisation die Einbindung von Modellen ermöglicht, die bei klassischer periodischer Synchronisation nicht akkurat gekoppelt werden können. Die Diskussion zeigt, dass die Menge der identifizierten Kopplungspunkte nicht auf klassische Hardware-in-the-Loop (HIL) Szenarien beschränkt ist. Damit eröffnen sich auch neue Wege in der Testentwicklung. Die praktische Auswertung demonstriert die Machbarkeit standardbasierter virtueller Komponenten auf der Grundlage ereignisbasierter Steuerungen und unterstreicht die Notwendigkeit einer sorgfältigen Auswahl der eingesetzten Kopplungsansätze.

Although the proper operation of automation systems is widely invisible to the general public, control infrastructure is extensively deployed and strongly affects our daily lives. For instance, manufacturing of high-quality mass goods, continuous energy supply infrastructure, and modern buildings highly depend on automation. Numerical simulation allows to efficiently engineer these complex systems and reduces the need of costly prototypes, but direct interaction with automation systems at runtime is still limited. This thesis addresses the efficient development of complex dependable Cyber-Physical Systems (CPS) by systematically pinpointing links between event-based automation systems and numerical simulation. Applications of such links range from hybrid system simulations, which couple continuous plant models and discrete control logic, to simulation-backed virtual components, which mimic parts of a system that cannot be easily included in a laboratory environment. The research is based on open standards, in particular the IEC 61499 for event-based automation systems and the Functional Mock-up Interface (FMI) standards for model exchange and co-simulation.