VERFAHREN UND VORRICHTUNGEN ZUR SYNCHRONISIERTEN SIMULATION UND

EMULATION VON AUTOMATISIERTEN PRODUKTIONSANLAGEN

Für die softwarebasierte Simulation von automatisierten Produktionsanlagen werden üblicherweise verschiedene Simulati- ons- und Emulationsprogramme verwendet. Sie werden für diesen Zweck miteinander gekoppelt und gemeinsam angewendet, wobei jedes Programm eine bestimmte Aufgabe erfüllt.

Unter einem Emulator versteht man dabei ein Programm, das ein anderes System in bestimmten Teilaspekten nachbildet, indem es die gleichen Daten erhält, vergleichbare Programme aus ^¬ führt und möglichst die gleichen Ergebnisse erhält wie das zu emulierende System.

Ein wesentliches Problem der Ankopplung zwischen diesen unterschiedlichen Programmen ist die Synchronisation der verteilten Ausführung. Die begleitende Ausführung aller Simulationsprogramme soll ohne erkennbares Auseinanderlaufen insbe ^¬ sondere auch in der zeitlichen Durchführung möglich sein. Das (sogenannte) Kausalitätsprinzip soll gewahrt werden, bei dem aktuelle Systemaktionen nur zukünftige und keine vergangene Systemaktionen beeinflussen können.

Bei einer Echtzeitsimulation werden alle Simulationsprogramme auf einer realen Zeitbasis ausgeführt, was eine zusätzliche Herausforderung darstellt. In diesem Fall sind beide Ziele der Synchronisation gegeben, und zwar durch die direkte Zuordnung von Aktionen zu realen Zeitpunkten, d. h. durch den chronologischen Ablauf.

Bei der softwarebasierten Simulation von automatisierten Produktionsanlagen wird oft ein Synchronisationsmechanismus ver ^¬ wendet, wobei die Ausführung aller Simulationsprogramme in Schritten von gleicher Dauer fortschreitet. Der Synchronisationsmechanismus bestimmt eine Reihenfolge von allen Simula ^¬ tionsprogrammen und aktiviert die Programme gemäß dieser Rei- henfolge alternierend. Zwischen zwei sukzessiven Ausführungen der Reihenfolge findet ein Datenaustausch zwischen den Simulationsprogrammen statt, es werden Ausgangsdaten übertragen und als entsprechenden Eingangsdaten geliefert.

Dieser zyklische Lösungsansatz ist relativ einfach zu realisieren, er hat aber den Nachteil, dass alle Simulationspro ^¬ gramme mit derselben Schrittlänge bzw. mit derselben Zyklus ^¬ zeit ausgeführt werden müssen. Effektiv muss das kleinste ge ^¬ meinsame Vielfache von allen Schrittlängen als gemeinsame Zykluszeit gewählt werden, und dafür müssen die individuellen Schrittlängen konstant und bekannt sein. Wenn diese Bedingung nicht erfüllt werden kann, dann ist dieser Synchronisations ^¬ mechanismus nicht einsetzbar. Ein häufiges Beispiel dafür ist eine SPS-Emulation, welche ein freilaufendes Anwenderprogramm mit unvorhersehbarer Zykluszeitlänge ausführt und auf der Ba ^¬ sis der Hauptprogramzyklus mit dem externen Prozess kommuni ^¬ ziert und synchronisiert .

Es gibt derzeit Simulationsprodukte, die keinen Synchronisa ^¬ tionsmechanismus für die Ankopplung von SPS-Emulatoren anbieten, obwohl sie eine Ausführung auf virtueller Zeitbasis intern unterstützen. Bei der Verwendung dieser Simulationsprodukte muss die Simulation in Verbindung mit externen SPS- Emulatoren in Echtzeit laufen.

Für große verteilte Simulationen, z. B. bei simulierten Militärübungen oder bei Verkehrs Simulationen, werden ereignisbasierte Ansätze für die Synchronisation standardmäßig verwen ^¬ det. Ein Beispiel hierfür findet sich in der Norm IEEE 1516- 2010.

Das algorithmische Rahmenwerk für die Synchronisation von verteilten Simulationssystemen ist Stand der Technik (siehe R. Fujimoto. Parallel and Distributed Simulation Systems. John Wiley & Sons, Inc. , New York, NY, USA, 2000. ISBN 0-471 - 18383-0) . Die Synchronisation auf Basis von virtuellen Zeitstempeln sowie Optimierungsverfahren wie „Time Warping" sind bei vielen Anwendungsgebieten (z .B. Militärübungen) in Einsatz. Die Standardalgorithmen für die verteilte Synchronisa- tion werden in der Literatur allgemein und anwendungsunabhängig auf der Basis von „Systemereignissen" definiert. Für konkrete Anwendungsszenarien müssen die Systemereignisse noch festgelegt und die Simulationslogik entsprechend definiert werden .

Die heutigen Simulationssysteme für SPS-basierte Automatisie rungssysteme verwenden hauptsächlich die zyklische Ausführun der Simulationskomponente in einer festdefinierten Reihenfol ge . Dieser Ansatz ist eine direkte und natürliche Abbildung des Ausführungsprinzips eines Automatisierungs Systems , und wird deshalb in der Praxis favorisiert.

Es ist Aufgabe der Erfindung, ein verbessertes Verfahren und Vorrichtungen zur Synchronisation von Simulations- und Emulationsprogrammen anzugeben, welche die oben genannten Nachteile nicht aufweisen. Es ist insbesondere die Aufgabe der Er ^¬ findung, ein Verfahren im Umfeld der Simulation von Automatisierungsanlagen anzugeben.

Die Aufgabe wird gelöst durch ein Verfahren gemäß den Merkma ^¬ len des Patentanspruchs 1.

Die Aufgabe wird gelöst durch Vorrichtung gemäß den Merkmalen der Patentansprüche 12 (Master) und 13 (Slave) .

Das erfindungsgemäße Verfahren zur softwarebasierten Simulation einer automatisierten Anlage, wobei die Simulation aus zumindest zwei eigenständigen, untereinander koppelbaren Simulations- und / oder Emulations-Programmen besteht, und je ^¬ des dieser zumindest zwei Simulations- und / oder Emulations- Programme eine eigenständige Simulationsaufgabe in einzelnen Simulationsschritten erfüllt, und ein Austausch von Simulationsdaten zwischen den Simulationsaufgaben nach jedem durchgeführten Simulationsschritt erfolgt, und die Ausführung eines jeden Simulationsschritts durch eine übergeordnete Instanz als Master zeitlich synchronisiert wird, in jedem Simulati ^¬ onsschritt eine Information über die in jedem der zumindest zwei Simulations- und / oder Emulations-Programme geltende lokale Zeit übermittelt wird und eine externe Zeit bestimmt wird, aus dem Minimum aller lokalen Zeiten (LT) und über die ermittelte lokale Zeit aller Simulations- und / oder Emulati ^¬ ons-Programme und erst dann Übermitteln der Simulationsdaten aus dem vorherigen Simulationsschritt an die Simulations- und / oder Emulations-Programme.

Eine Simulation basierend auf virtueller Zeit, also nicht auf Echtzeit, bietet im Vergleich zur Echtzeitsimulation eine flexible Handhabung der Ausführungsgeschwindigkeit sowie die Möglichkeit für einen präzisen Simulationsablauf bei nicht echtzeitfähigen Simulationsprogrammen an. Dafür ist der Einsatz eines aktiven Synchronisationsmechanismus erforderlich, der die Ausführung aller Simulationsprogramme im Hinblick auf die Ziele der Synchronisation steuert.

Der Übergang zu einem ereignisbasierten Synchronisationsansatz basierend auf virtueller Zeit kann nur durch die Einbeziehung der Theorie und Methodik von verteilten Simulationssystemen durchgeführt werden, wegen der höheren Abstraktion die beim Systementwurf erforderlich ist.

Die vorgestellte Lösung stellt eine spezielle ereignisbasier ^¬ te Lösung für den konkreten Anwendungsfall der Synchronisati ^¬ on bei der SPS-Emulation zur Verfügung. Basierend auf dem allgemeinen Synchronisationsverfahren von Chandy/Misra/Bryant (CMB) wurden Systemereignisse und Ausführungsabläufe für SPS- Emulatoren konzipiert und prototypisch erprobt. Das Ergebnis ist ein Synchronisationsverfahren, das für dieses Anwendungsszenario speziell ausgelegt und optimiert ist:

Die typische zyklische Ausführung von SPS und Prozesssimula ^¬ tionen wird im neuen Synchronisationsverfahren erhalten. Ein Zyklus wird durch ein internes Systemereignis realisiert.

Die übliche E/A-Kommunikation der SPS wird in das Synchronisationsverfahren integriert. Die Übertragung von E/A- Simulations-Daten erfolgt in Form eines Systemereignisses das jeweils vor der Ausführung eines Simulationsschrittes auf ^¬ tritt. Damit wird die globale Datenkonsistenz gewährleistet.

Ein Synchronisationsereignis (sog. Null-Message) wird jeweils nach der Ausführung eines Simulationsschrittes für die Mel ^¬ dung der Dauer des Schrittes verwendet. Damit werden die Kau ^¬ salität und die Kontinuität der verteilten Simulation gewährleistet .

Ein Vorteil des beschriebenen Ansatzes gegenüber aktuellen Lösungen ist, dass nun die Möglichkeit einer präzisen und korrekten Synchronisation eines verteilten Simulationssystems für SPS auf virtueller Zeitbasis gegeben ist.

Dabei wird komplette Flexibilität bezüglich der virtuellen Dauer der Ausführungszyklen bei der individuellen beteiligten Simulationsprogrammen realisiert .

Vorteilhaft ist auch die parallele Ausführung der Simulati ^¬ onsschritte, wenn die Datenabhängigkeit dies erlaubt.

Darüber hinaus ist eine Kompatibilität mit bestehenden SPS- Emulatoren und Simulationsprogrammen gegeben. Die vorgeschlagene Lösung ist mit einem überschaubaren Implementierungsauf ^¬ wand und geringem Mehraufwand zur Laufzeit der Simulation erreichbar .

Im Folgenden wird die Erfindung durch die Figuren erläutert. Dabei zeigt

Figur 1 einen allgemeinen Aus führungsmechanismus eines Si ^¬ mulationsprogramms ,

Figur 2 ein Synchronisationsverfahren für SPS Emulation und Prozesssimulation und

Figur 3 ein Beispiel für einen Synchronisationsablauf.

In Figur 1 wird der allgemeine Ausführungsmechanismus eines Simulationsprogramms (SPS-Emulator oder Anlage- bzw. Prozess ^¬ simulation) , das sich mit weiteren Simulationsprogrammen synchronisiert, als Ablaufdiagramm dargestellt. In einem ersten Schritt 101 meldet das Programm seine interne virtuelle Uhrzeit (d. h. die Simulationszeit), auch lokale Zeit genannt, an die Simulationsumgebung: send LocalTime . Im nächsten Schritt 102 wartet das Programm, bis die externe Zeit, also die minimale lokale Zeit von allen weiteren Simu ^¬ lationsprogrammen, die lokale Zeit erreicht oder überschrei ^¬ tet: wait until (ExternalTime >= LocalTime) .

Im dritten Schritt 103 sendet das Programm dann seine Aus ^¬ gangsdaten aus einem vorherigen Simulationsschritt an die Si- mulationsumgebung : send OutputData.

Bevor das Simulationsprogramm seinen Simulationsschritt bzw. Zyklus ausführt, wartet es, bis mindestens eine von zwei Be ^¬ dingungen erfüllt wird 104:

a) die externe Zeit überschreitet die lokale Zeit, und/oder b) der aktuelle Zeitstempel der Eingangsdaten entspricht der lokalen Zeit: Wait until

(ExternalTime > LocalTime) or (InputTime == LocalTime) . Dies bedeutet, dass die weiteren Simulationsprogramme ihre gültigen Ausgangsdaten für den nächsten Simulationsschritt bereits geliefert haben.

Anschließend führt das Simulationsprogramm den Simulations- schritt 105 aus: Run Cycle, und wiederholt den Vorgang indem es wieder zum ersten Schritt 101 zurück kehrt 106.

Die Synchronisation der Ausführung auf virtueller Zeitbasis von mehreren SPS-Emulatoren in Verbindung mit verschiedenen Anlagen- oder Prozesssimulationen wird mit dem in Figur 2 dargestellten Verfahren gelöst.

Hier wird das Verfahren für einen SPS-Emulator und für eine Simulation konkret gezeigt. Im Allgemeinen kann der Ansatz für beliebig viele SPS-Emulatoren und Simulationen erweitert werden. Dabei führen alle Simulationsprogramme mit beliebigen und variierenden Schrittlängen bzw. Zykluszeiten aus. Der Synchronisationsmaster SynM ist eine Softwarekomponente, die die Rolle der zentralen Koordination übernimmt. Der Synchronisationsmaster bewahrt für jedes Simulationsprogramm Sim seine aktuell bekannte virtuelle Uhrzeit (lokale Zeit), und einen Zeitstempel für die Eingangsdaten, auf. Ausserdem verfügt der Synchronisationsmaster SynM über eine Konfiguration der Datenverbindungen zwischen den Simulationsprogrammen .

Für jedes Simulationsprogramm wird einen Synchronisation- Slave SimSynS eingerichtet, der die Interaktion zwischen dem Simulationsprogramm Sim und dem Synchronisationsmaster SynM nach dem Verfahren gemäß Figur l realisiert. Außerdem bewahrt der Synchronisation-Slave SimSynS die aktuelle virtuelle Uhr ^¬ zeit des Simulationsprograms auf.

Der Ablauf der Ausführung wird für ein Simulationsprogramm wie folgt beschrieben:

Der Synchronisation-Slave SPSSynS, SimSynS sendet dem Synch ^¬ ronisationsmaster SynM die aktuelle virtuelle Uhrzeit des Si ^¬ mulationsprograms als Zeitstempel 1 (LocalTime (time ) ) .

Der Synchronisationsmaster SynM aktualisiert seine Kopie der virtuellen Uhrzeit la und berechnet, für jeden Synchronisati- ons-Slave die aktuelle externe Uhrzeit als die minimale Uhr ^¬ zeit aller anderen Syncnronisation-Slaves.

Der Synchronisationsmaster SynM sendet allen anderen Syncnronisation-Slaves SPSSynS, SimSynS seine aktuelle externe Uhr ^¬ zeit als Zeitstempel, lb.

Der Synchronisation-Slave SPS-SynS, SimSynS wartet auf die Meldung der externen Zeit vom Synchronisationsmaster, 2 (WaitForExternalTime ) .

Der Wartezustand wird gehalten, solange die lokale virtuelle Uhrzeit größer als die externe Uhrzeit ist.

Der Synchronisationsmaster SynM sendet dem Synchronisation- Slave SPSSynS, SimSynS die aktuelle externe Uhrzeit als Zeit ^¬ stempel, 3. Der Synchronisation-Slave SPSSynS, SimSynS ver- gleicht den Zeitstempel mit der lokalen Uhrzeit und verlässt ggf. den Wartezustand.

Der Synchronisations-Slave SPSSynS, SimSynS liest die Aus- gangsdaten aus dem Simulationsprogramm SPS-E, Sim aus, 4.

Der Synchronisations-Slave SPSSynS, SimSynS sendet dem Synch ^¬ ronisationsmaster die Ausgangsdaten aus dem Simulationsprogramm mit dem aktuellen Zeitstempel, 5.

Der Synchronisationsmaster SynM empfängt die Ausgangsdaten aus dem Simulationsprogramm und entscheidet, welche Daten an welche Simulationsprogramme weitergeleitet werden, 5a.

Der Synchronisationsmaster SynM sendet den entsprechenden Synchronisations-Slaves SPSSynS, SimSynS die entsprechenden Daten mit dem entsprechenden Zeitstempel, 5b.

Der Synchronisations-Slave SPSSynS, SimSynS schreibt die neu ^¬ en Eingangsdaten in das Simulationsprogram SPS-E, Sim, 5c. Der Synchronisations-Slave aktualisiert den Eingangszeitstem ^¬ pel lokal, 5d.

Der Synchronisation-Slave SPSSynS, SimSynS stößt den nächsten Simulationsschritt bzw. den nächsten Zyklus des Simulations ^¬ programms SPS-E, Sim an, 6. Das Simulationsprogramm Sim, SPS-E meldet dem Synchronisation-Slave SPSSynS, SimSynS das Ende des Simulationsschritts bzw. des Zyklus sowie die entsprechende vergangene Dauer, 7.

Der Synchronisations-Slave SPSSynS, SimSynS addiert die ge- meldete Dauer auf die lokale Uhrzeit, 8.

Der Zyklus ist beendet und die Ausführung fährt mit Schritt 1 fort . Mit diesem Ansatz werden die oben beschriebenen Ziele der

Synchronisation bei der Ausführung des beschriebenen Systems erfüllt. Dabei werden Deadlocks bei der Synchronisation vermieden, weil die Berechnungsart der Ausführungsbedingung die Aktivierung von mindestens einem Simulationsprogramm zu jeder Zeit ermöglicht .

Figur 3 zeigt ein Beispiel für den Ablauf einer Synchronisa ^¬ tion zwischen einer SPS-Emulation SPS-E und einer Prozesssimulation Sim dar. Der Zeitfortschritt t wird von links nach rechts gezeigt, oben beispielhaft der Zeitfortschritt einer Prozeßsimulation und unten der von der SPS-Emulation.

Die Ausführung der Simulationsschritte wird mit gefüllten Rechtecken dargestellt. Nachrichten werden anhand von Pfeilen mit Ereignisbezeichnern und Zeitstempeln dargestellt. Dabei werden Informationen zur Local Time LT und External Time ET ausgetauscht. Alle Zeitwerte beziehen sich auf die virtuelle Zeitachse. Weiterhin werden Daten, OT Output Data und ID, In- put Data zwischen den Elementen gesendet. Die Prozesssimula ^¬ tion Sim führt in Schritten von 100 ms aus was man am oberen zugehörigen Zeitstrahl erkennen kann. Die Schrittlänge der SPS-Emulation wird von der Ausführungsdauer der Programmzyklus bestimmt und ist ungleichmäßig und unvorhersehbar. Dank der Synchronisation führen beide Programme ihre Simulations ^¬ schritte immer mit aktuell gültigen Eingangsdaten aus.

Zu Beginn werden Initialisierungsnachrichten LT(0), ET(0), OD(0), ID(0) ausgetauscht. Die Zahlen in den Klammern geben jeweils den lokalen Zeitpunkt an. Die Nachrichten werden zwischen den beiden Simulations- bzw Emulationsprogrammen über den Synchronisations-Master (Syn M) ausgetauscht und entsprechend der zeitlichen Vorgaben weitergegeben. Die Simulationsdaten werden immer zum ermittelten Zeitpunkt wieder in den Simulations- / bzw. Emulationsprozeß zurück gegeben um so ei ^¬ ne datenkonsistente Durchführung zu gewährleisten.