VERFAHREN ZUM ENGINEERING UND SIMULATION EINES AUTOMATISIERUNGSSYSTEMS MITTELS DIGITALER ZWILLINGE

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Engineering eines Automatisierungssystems zur Steuerung eines Prozesses in ei ner verfahrenstechnischen Anlage, wobei das Automatisierungs system eine Vielzahl von Hardware-Komponenten zur Ausführung von Anzeige-, Bedien- und Automatisierungsfunktionen umfasst und über Kommunikationssysteme miteinander verbunden sind.

Die Erfindung betrifft ferner ein zur Durchführung des Ver fahrens ausgebildetes Automatisierungssystem.

So genannte „digitale Zwillinge" sind aus der Produktions technik hinlänglich bekannt. Es handelt sich dabei um compu tergestützte Abbilder oder Repräsentanten eines Objekts aus der realen Welt. Gemäß dem Gabler Wirtschaftslexikon

(https : //wirtschaftslexikon . gabler . de/definition/digitaler- zwilling-54371 ) wird ein digitaler Zwilling als ein virtuel les Modell z.B. eines Prozesses, eines Produkts oder einer Dienstleistung definiert, welches die reale und virtuelle Welt verbindet. Digitale Zwillinge sind aus Daten und Algo rithmen aufgebaut und verwenden reale Daten von installierten Sensoren, welche z.B. die Arbeitsbedingungen oder Position von Maschinen repräsentieren. Digitale Zwillinge bilden Anla gen über den gesamten Lebenszyklus (Design, Erstellung, Be trieb und Wiederverwertung) ab. Schon während der Planung können Ingenieure Simulationsmodelle nutzen, um Abläufe zu optimieren. Ist die Anlage in Betrieb, können die gleichen Simulationsmodelle verwendet werden, um Abläufe weiter zu op timieren und um die Produktion zu wandeln.

Die Erstellung eines digitalen Zwillings erfordert verschie dene Elemente. In der Regel sind das ein reales abzubildendes Objekt, ein virtueller Darstellungsraum und Daten zu den Um gebungsbedingungen. Die Zwillinge werden durch gesammelte Echtzeitdaten des realen Objekts und beschreibende Algorith- men erstellt und in einem digitalen Darstellungsraum abgebil det. Oft findet ein modulares Konzept Verwendung, bei dem sich der Digitale Zwilling aus vielen einzelnen Digitalen Zwillingen zusammensetzt. (https : //www . bigdata- insider . de/was-ist-ein-digitaler-zwilling-a-728547/ )

Auch im Rahmen der Automatisierung verfahrenstechnischer Pro zesse ergeben sich vielfache Anwendungen für computergestütz te Abbilder realer Objekte.

Bei der Inbetriebnahme einer verfahrenstechnischen Anlage wird üblicherweise derart vorgegangen, dass das Engineering der Anlage mit einer Simulation oder Emulation ergänzt wird. Bevor Automatisierungsprogramme und Anlagenbilder in eine re ale und laufende Anlage geladen werden, müssen sie entspre chend getestet und ggf. auch korrigiert werden. Hierfür wird in der Regel auf einen digitalen Zwilling zurückgegriffen - d.h. die Automatisierungsprogramme werden beispielsweise in emulierte Automatisierungsserver einer virtuellen Schattenan lage geladen und getestet. Um die Feldebene zu virtualisieren wird ein Anlagensimulator genutzt, der Modelle der Feldebene abarbeitet und die Prozess-Eingaben und Prozess-Ausgaben mit den virtuellen Automatisierungen austauscht. Die Simulati on/Emulation geschieht dabei vollkommen entkoppelt vom Engi neering des Automatisierungssystems, was häufig sehr nachtei lig ist: Für Änderungen und Anpassungen in den Automatisie rungsprogrammen und Anlagenbildern muss zwischen Simulation und Engineering hin und her gewechselt werden. Dadurch kann es leicht zu Inkonsistenzen oder Parametrierfehlern in der Simulation kommen. Diese können auch die reale Anlage gefähr den, wenn sich z.B. die IP-Adressen der durch die Simulation verwendeten, virtuellen Automatisierungen mit denen der Auto matisierungen der realen Anlage überschneiden, wenn sich bei de im selben Netz befinden.

Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, ein flexible res Verfahren zum Engineering eines Automatisierungssystems einer technischen Anlage anzugeben, das eine koexistente Si mulation, Emulation oder Virtualisierung einer beliebigen An- zahl von Komponenten des Automatisierungssystems als integra ler Bestandteil des Engineerings der Hardware-Konfiguration des Automatisierungssystems erlaubt. Des Weiteren soll ein zur Durchführung des Verfahrens besonders geeignetes Automa tisierungssystem für eine technische Anlage angegeben werden.

Diese Aufgabe wird durch ein Verfahren mit den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst. Außerdem wird die Aufgabe durch ein Auto matisierungssystem gemäß Anspruch 11 gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen ergeben sich aus den abhängigen Ansprüchen.

Im Zusammenhang mit Simulationen spricht man von dem zu simu lierenden System und von einem Simulator als Implementierung oder Realisierung eines Simulationsmodells. Das Simulations modell stellt somit eine Abstraktion des zu simulierenden Systems in Struktur, Funktion und Verhalten dar. Ein Emulator hingegen versucht das ganze Zielsystem so originalgetreu wie möglich nachzubilden. Das nachgebildete System erhält die gleichen Daten, führt vergleichbare Programme aus und erzielt die möglichst gleichen Ergebnisse in Bezug auf bestimmte Fra gestellungen wie das reale Zielsystem. Als Virtualisierung wird in der Informatik die Nachbildung eines Hard- oder Soft ware-Objekts durch ein ähnliches Objekt vom selben Typ mit Hilfe einer Abstraktionsschicht bezeichnet. Dadurch lassen sich virtuelle Geräte wie emulierte Hard- oder Software er zeugen. Eine Möglichkeit, eine Virtualisierung eines Objektes zu erreichen, ist die Virtuelle Maschine (VMware) .

Gegenstand der Erfindung ist es nun, solch virtuelle Geräte wie emulierte Hardwarekomponenten eines Automatisierungssys tems (emulierte Automatisierungen, Operator Station Server, usw.) bei der Hardwarekonfiguration während des Engineerings einzusetzen, um vorteilhaft parallel zum Engineering der rea len Hardwarekomponenten verschiedene Stufen und Varianten von digitalen Zwillingen für die flexible und stufenweise Inbe triebnahme von Automatisierungsprogrammen und Anlagenbildern zu erreichen. Das erfindungsgemäße Verfahren zum Engineering eines Automa tisierungssystems zur Steuerung eines Prozesses in einer technischen Anlage, welches eine Vielzahl von Hardware- Komponenten zur Ausführung von Anzeige-, Bedienfunktionen und Automatisierungsfunktionen umfasst, wobei diese Komponenten über Kommunikationssysteme miteinander verbunden sind, ist dadurch gekennzeichnet, dass unabhängig vom Betrieb der Anla ge, parallel zum Engineering mindestens einer realen Hard ware-Komponente diese Komponente auch virtualisiert als digi taler Zwilling erzeugt, instanziiert und logisch verknüpft werden kann. Die derart erzeugten virtuellen Komponenten kön nen (beliebig) konfiguriert und optimiert werden, und an schließend parallel zu den realen Komponenten auf Server des Automatisierungssystems geladen werden, wo die entsprechende Funktion ausgeführt wird.

Die Vorteile des Einsatzes virtueller Komponenten beim Engi neering sind vielfältig. Insbesondere ist eine koexistente, sichere, flexible und stufenweise Inbetriebnahme von Automa tisierungsprogrammen und Anlagenbildern möglich. Eine be triebsparallele Optimierung auf Grundlage des digitalen Zwil lings wird unterstützt. Sowohl die reale Anlage als auch der digitale ( Teil- ) Zwilling ist durch das integrierte Enginee ring stets konfigurierbar und überwacht.

Ein großer Vorteil der Erfindung besteht darin, dass das Ver fahren „unabhängig vom Betrieb der Anlage" durchführbar ist. Dies bedeutet, dass bereits vor der Inbetriebnahme die virtu ellen Komponenten erzeugt werden können. Gleichzeitig ist auch während der Inbetriebnahme (vgl. Fig. 2) oder sogar wäh rend des laufenden Betriebs eine Virtualisierung möglich.

Dies gewährt dem Projekteur der technischen Anlage eine große Flexibilität .

Der virtuelle Zwilling oder die virtuelle Komponente kann beispielsweise dadurch erzeugt werden, dass der Projekteur in einer Gerätebibliothek des Engineering-Servers auf das ge wünschte Objekt klickt. Dadurch wird eine Instanz erzeugt, die den derzeitigen Zustand einer Hardware-Komponente reprä sentiert. Der virtuellen Komponente wird dabei auch eine ei gene IP-Adresse zugewiesen. Danach wird die logische Verbin dung festgelegt. Diese definiert die Kommunikationsbeziehung zwischen den jeweiligen Komponenten (hier Geräten) . Wird eine logische Verbindung zwischen einer Automatisierung und einem Operator Station Server definiert, können auch zur Laufzeit Prozessdaten übertragen werden. Bevor jedoch Automatisie rungsprogramme und Anlagenbilder in eine reale und laufende Anlage geladen werden, können sie nun in der virtuellen Kom ponente beliebig konfiguriert, getestet und ggf. auch korri giert werden. Anschließend werden die derart optimierten vir tuellen Komponenten parallel zu den realen Komponenten auf Server des Automatisierungssystems geladen und ausgeführt.

Das erfindungsgemäße Verfahren erlaubt vorteilhaft eine

Koexistenz der beiden Ausprägungen eines Objektes als reale Komponente und virtuelle Komponente.

In einer besonders vorteilhaften Ausführungsvariante können die virtuellen Komponenten beliebig auf die Server des Auto matisierungssystems verteilt werden. Diese Verteilung ist flexibel konfigurierbar. Im Hardwareengineering kann somit bestimmt oder festgelegt werden, auf welchen Servern des Au tomatisierungssystems welche virtuellen Geräte lokalisiert werden sollen. Auf diese Weise können die Speicherkapazitäten der Server des Automatisierungssystems optimal ausgenutzt und/oder flexibel eingesetzt werden.

Ein weiterer signifikanter Vorteil der Erfindung besteht da rin, dass die Anzahl der virtuellen Komponenten frei wählbar ist. Damit ergibt sich eine skalierbare Lösung. Durch die Skalierbarkeit dieses Lösungsansatzes ist somit auch eine „Multi-User" Simulation möglich, da sich quasi jeder Projek- teur einen eigenen für seinen Test maßgeschneiderten digita len ( Teil- ) Zwilling konfigurieren und nutzen kann.

In einer weiteren vorteilhaften Ausführungsvariante sind die logischen Verbindungen zwischen den virtuellen Komponenten und zwischen den virtuellen und realen Komponenten flexibel konfigurierbar. Dadurch lassen sich beliebige Varianten des Engineerings realisieren. Durch eine Festlegung der logischen Verbindungen ist es darüber hinaus auch möglich, genau pro jektieren zu können, welche (virtuellen) Geräte mit welchen (virtuellen) Geräten kommunizieren dürfen.

Während des Engineerings kann vorteilhaft zwischen realen Komponenten und virtuellen Komponenten umgeschaltet werden, um Veränderungen vorzunehmen. In einer besonders vorteilhaf ten Variante kann die Umschaltung sogar stoßfrei erfolgen. Stoßfrei bedeutet hier, dass die Umschaltung noch innerhalb eines Zyklus des Automatisierungssystems erfolgen kann.

Vorteilhaft können die virtuellen Komponenten in einer Daten bank verwaltet werden. Dies erlaubt beispielsweise einem Nut zer der Datenbank die Komponente eines anderen Nutzers weiter zu verändern oder zu modifizieren. Auf diese Weise wird das Engineering erleichtert und kann ggfs, auch schneller erfol gen .

In einer weiteren Ausführungsvariante werden für alle virtu ellen Komponenten (wie auch bei den realen Komponenten) die Zuweisungen zu der technologischen Hierarchie unterstützt. Durch so genannte Zuweisungen in der technologischen Hierar chie wird definiert, welche Anlagenteile durch welche Geräte automatisiert werden - wird z.B. ein Strukturordner „Teilan- lagl" einer AS1 und einer OS1 zugeordnet, sind die unterhalb des Strukturordners angelegten Automatisierungsprogramme (Funktionspläne) automatisch der AS1 und die jeweiligen Anla genbilder der OS1 zugeordnet und werden folglich auch dort hin geladen und ausgeführt. Eine Teilanlage in einem Struktu rordner kann zunächst für die stufenweise Inbetriebnahme nur virtuellen Komponenten zugewiesen werden. Erst wenn die Funk tion der Automatisierungsprogramme und Anlagenbilder durch die Simulation abgesichert wurde, kann derselbe Strukturord ner mit der Teilanlage realen Geräten zugewiesen werden. Dar über hinaus können die Strukturordner Teilanlagen (natürlich auch feingranulare Anlagenteile, wie z.B. technische Einrich tungen und sogar Messstellen) in der technologischen Hierar- chie auch dupliziert und parallel virtuellen Komponenten zu geordnet werden, um einen parallel zur realen Anlage laufen den digitalen Zwilling (z.B. für Betriebsoptimierungen) rea lisieren zu können.

Den virtuellen Komponenten können vorteilhaft Automatisie rungsdokumente wie Funktionspläne oder Anlagenbilder für eine Inbetriebnahme zugewiesen werden, bevor sie auf die Server des Automatisierungssystems geladen werden. Virtuelle Geräte können im Zuge einer stufenweisen Inbetriebnahme, betriebspa rallel, zunächst nur mit virtuellen, später auch mit realen Geräten, interagieren. Dafür werden die logischen Verbindun gen zwischen den Geräten umkonfiguriert. (Beispiel: Für die Inbetriebnahme eines neuen Anlagenbildes interagiert die vir tuelle Operator Station zwecks Dynamisierung des Anlagenbil des zunächst mit einer virtuellen Automatisierung - um u.a. Fehlbedienungen zu vermeiden. In einem nächsten Schritt in teragiert die virtuelle Operator Station dann mit einer rea len Automatisierung, um das für die Inbetriebnahme vorgesehe ne Anlagenbild mit realen Prozessdaten zu dynamisieren. Im letzten Schritt wird das in Betrieb genommene Anlagenbild schließlich einer realen Operator Station zugewiesen) .

Eine Inbetriebnahme verschiedener Automatisierungsdokumente kann vorteilhaft parallel durch mehrere Projekteure erfolgen und auf unterschiedlichen und/oder mehrfach vorhandenen vir tuellen Komponenten erfolgen. Auch dies erlaubt eine große Skalierbarkeit .

Im Folgenden wird die Erfindung sowie deren Ausgestaltungen anhand der Figuren, in denen ein Ausführungsbeispiel der Er findung dargestellt ist, näher beschrieben und erläutert.

Es zeigen:

Figur 1 ein Funktionsschema eines Automatisierungssystems zur Steuerung eines Prozesses mit angedeuteter Softwarearchitektur zur Implementierung des erfin- dungsgemäßen Verfahrens in der Aus führungs form ei ner betriebsparallelen Optimierung

Figur 2 ein weiters Funktionsschema eines Automatisierungs systems zur Steuerung eines Prozesses mit angedeu teter Softwarearchitektur zur Implementierung des erfindungsgemäßen Verfahrens in der Aus führungs form einer stufenweisen Inbetriebnahme

Figur 1 zeigt in vereinfachter schematischer Darstellung ein Beispiel für ein Automatisierungssystems A, mittels dessen ein zumeist verfahrenstechnischer Prozess in einer techni schen Anlage, z.B. einer technischen Fertigungs-, Produkti ons- oder auch Energieerzeugungsanlage, gesteuert, geregelt und überwacht wird. Das Automatisierungssystem A weist eine Vielzahl von prozessnahen Komponenten (Feldgeräte, Baugrup pen, I/O Systeme, Controller) auf, die auf Feldebene, also im Prozess, vorgegebene Mess-, Steuer- und Regelungsfunktionen wahrnehmen. Die Feldgeräte tauschen über ein Kommunikations system (hier Profibus TB) prozess-, funktions- und/oder gerä terelevante Daten untereinander und mit den höher gelegenen Steuerungs- und Leitebenen aus. Das Kommunikationssystem der Feldebene ist mit einer Vielzahl von Automatisierungsgeräten AS wie z.B. speicherprogrammierbaren Steuerungen (SPS) ver bunden. Die Automatisierungsgeräte AS1, AS2 wiederum sind über ein weiteres Kommunikationssystem, dem Anlagenbus AB, welcher zumeist als Industrial Ethernet ausgeführt ist, mit einem übergeordneten Rechnersystem verbunden. Dieses umfasst im vorliegenden Ausführungsbeispiel ein Bedien- und Beobach tungssystem, das aus einer Anzahl von Operator Station Ser vern OS (abgekürzt OS Server, OS1, OS2 ...) und zumindest einem Client Rechner besteht. Der OS Client OSC tauscht über ein weiteres Bussystem TB, welches hier als Terminalbus TB be zeichnet wird, Informationen und Daten mit den OS-Servern aus. Ferner kann das Automatisierungssystem noch weitere Ser ver umfassen. Das in Fig. 1 dargestellte Automatisierungssys tem ist derart ausgebildet, dass es eine weitere Komponente, eine Engineering Workstation ES, besitzt. Bei dieser handelt es sich um einen Rechner oder Server, der zur Datenübertra- gung an die Kommunikationssysteme AB und TB angeschlossen ist und auf den ebenso über einen Client des Bedien- und Beobach tungssystems zugegriffen werden kann. Bei Bedarf können noch weitere Rechner oder Server S mit den Kommunikationssystemen AB und TB verbunden werden.

In Fig. 1 sind neben Teilen der soeben beschriebenen Hard ware-Konfiguration des Automatisierungssystems auch Teile der Software-Architektur zur Implementierung des erfindungsgemä ßen Verfahrens in vereinfachter Form dargestellt.

Gemäß der Erfindung sind in dem Engineering-Server ES als Software-Bausteine oder Softwarekomponenten ausgebildete vir tuelle Komponenten der realen oben beschriebenen Hardwarekon figuration dargestellt.

Figur 1 zeigt beispielhaft ein Funktionsdiagramm eines koexistenten digitalen Zwillings für eine betriebsparallele Optimierung. Für die realen Geräte (Operator Station Server OS1, OS2, Automatisierungsgeräte AS1, AS2... ) existieren je weils virtuelle Gegenstücke, die virtuellen Komponenten:

VOS1, VOS2, VAS1, VAS2. Die logischen Verbindungen zwischen den realen Komponenten sind durch die fetten schwarzen Linien symbolisiert. Die logischen Verbindungen zwischen den virtu ellen Komponenten sind durch gestrichelte Linien symboli siert. Aufgrund der logischen Verbindungen kann ein Client flexibel zwischen realer Anlage und digitalem Zwilling um schalten. Sowohl die reale Anlage als auch der digitale Zwil ling ist durch das integrierte Engineering konfiguriert und überwacht. Die Feldebene wird durch den Anlagensimulator SIMIT virtualisiert .

Durch die Anwendung der erfinderischen Maßnahmen ist es nun möglich, im Engineering virtuelle Automatisierungen und Ope rator Station Server koexistent zu planen, so dass zur Lauf zeit in einem Operator Station Client zwischen realen und virtuellen Anlagenteilen umgeschaltet werden kann. Möchte beispielsweise ein Operator eine Einstellung eines Reglers optimieren, so kann er diese betriebsparallel an einem virtu- eilen Anlagenteil testen, bevor er diese in den realen Anla genteil einspielt.

Figur 2 zeigt beispielhaft ein Funktionsdiagramm eines koexistenten digitalen Zwillings für eine stufenweise Inbe triebnahme. In diesem Ausführungsbeispiel existieren für ei nige reale Komponenten (Operator Station Server OS1 und das Automatisierungsgerät AS1) auf dem Server S jeweils virtuelle Gegenstücke (VOS1 und VAS1) mit dem Anlagensimulator SIMIT zur Virtualisierung der Feldebene. Die virtuellen Komponenten VAS1, VOS1 und SIMIT sind über die gestrichelt dargestellte logische Verbindung untereinander und mit dem Client-Rechner verknüpft. Der Client kann flexibel zwischen digitalem (Teil- ) Zwilling und dem Engineering der realen Komponenten im Engi neering-Server ES umschalten. Der Zugriff des Client-Rechners auf den Engineering-Server ist mit einer fetten schwarzen Li nie symbolisiert. Beim Engineering kann der Projekteur am Client beispielsweise das in der VAS1 ausgeführte Automati sierungsprogramm beobachten (debuggen) , korrigieren und auch neu laden. Parallel hierzu können die Anlagenbilder in VOS1 visualisiert und getestet werden. Sofern Fehlerkorrekturen notwendig sind, können diese auch gleich beim Engineering vorgenommen und neu geladen werden. Ist die Inbetriebnahme abgeschlossen, können - wie zuvor beschrieben - die Automati sierungsprogramme und Anlagenbilder aus den virtuellen Kompo nenten den realen Geräten zugewiesen und geladen werden. So wohl die reale Anlage als auch der digitale ( Teil- ) Zwilling ist durch das erfindungsgemäße integrierte Engineering konfi guriert und überwacht.