Co-Simulation mittels OPC UA

Elektrotechnik & Informationstechnik, Institut für Automatisierungstechnik, Professur für
Prozessleittechnik
Prozessleittechnik / AG Systemverfahrenstechnik
AUTOMATION 2016
Co-Simulation mittels OPC UA
Stephan Hensel¹, Markus Graube¹, Leon Urbas¹, Till Heinzerling², Mathias Oppelt²
(¹TU Dresden, ²Siemens AG)
Baden-Baden, 07.06.2016
Agenda
 Motivation
 Konzept
• Architekturüberblick
• Workflow
 Umsetzung
• Prototyp
• Anwendungsbeispiel
 Zusammenfassung und Ausblick
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Motivation
 Hohe Kosten durch Spezifikationsund Implementierungsfehler
 Frühzeitige Fehlererkennung durch
Simulation
 Spezifische Simulationswerkzeuge
[1]
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3
Motivation
 Zielstellung
• Untersuchung konzeptioneller Machbarkeit einer Middleware zur Kopplung verschiedener
Simulationssysteme
• Analyse des Beitrags von OPC UA für Verringerung von Konfigurations- und
Anpassungsaufwänden
 Ansatz:
• Integration von Einzelmodellen in eine Co-Simulationsumgebung
• Verwendung von OPC UA als generische Middleware
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Konzept
Ausgangspunkt
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Portverschaltung im
Server
Portlverschaltung
im Simulator
Client Adapter
OPC UA für CoSim
Aggregating Server
OPC UA
Bestehende CoSimulationsansätze mittels
OPC UA
Aggregating Server mit
Portverschaltung im
Server
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Architektur der Co-Simulationsumgebung
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Co-Simulation mittels OPC UA
6
Architektur der Co-Simulationsumgebung
Baden-Baden, 07.06.2016
Co-Simulation mittels OPC UA
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Architektur der Co-Simulationsumgebung
CoSimStatusType
::Enumeration
SimulatorType
::BaseObjectType
EnumStrings
Attribute
DataType = LocalizedText
ValueRank = OneDimensionalArray
ArrayDimension = {5}
Value = { „NOSIMULATION“,
„LOADED“,
„STOPPED“,
„RUNNING“,
„PROCEEDING“ }
ModelIdentifier
::PropertyType
Type
::PropertyType
URL
::PropertyType
Status
Attribute
DataType = CoSimStatusType
ValueRank = Scalar
ArrayDimension
Value = 1
SignalComponentType
::BaseObjectType
DataItem
::DataItemType
Quality
::PropertyType
Version
::PropertyType
CoSimStatusType
::Enumeration
SimulatorType
::BaseObjectType
InputList
::BaseObjectType
EnumStrings
Attribute
DataType = LocalizedText
ValueRank = OneDimensionalArray
ArrayDimension = {5}
Value = { „NOSIMULATION“,
„LOADED“,
„STOPPED“,
„RUNNING“,
„PROCEEDING“ }
ModelIdentifier
::PropertyType
Type
::PropertyType
URL
::PropertyType
Signal
Organizes
Status
Attribute
DataType = CoSimStatusType
ValueRank = Scalar
ArrayDimension
Value = 1
TimeStamp
::PropertyType
SignalType
::BaseObjectType
ControlSignalGroup
SignalComponentType
::BaseObjectType
DataItem
::DataItemType
Quality
::PropertyType
Version
::PropertyType
TimeStamp
::PropertyType
SignalType
::BaseObjectType
InputList
::BaseObjectType
Organizes
InputSignalGroup
Signal
Organizes
Organizes
ControlSignalGroup
InputSignalGroup
OutputList
::BaseObjectType
OutputList
::BaseObjectType
Organizes
OutputSignalGroup
Organizes
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OutputSignalGroup
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Konzept
Workflow
• Erstellung von Simulationsmodellen
Modellierung
• Informationsmodellerstellung
Konfiguration
Kopplung
Laufzeit
• Browse
• Portverschaltungen
• Wertaktualisierung
• Simulationssteuerung
• Simulationsergebnisse
Auswertung
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Konzept
OPC UA Client
Informationsmodellabfrage
Browse,
BrowseNext
4
OPC UA Server
7
Informationsmodelldaten
6
Informationsmodellerstellung
(Methodenaufruf)
2
OPC UA Server
OPC UA Client
OPC UA Server
Call – register()
Browse,
BrowseNext
2
3
OPC UA Client
1
Adapter
5
Adapter
Aggregating
Server
Aggregating
Server
Informationsmodellaggregation und -abfrage
OPC UA Server
OPC UA Client
Browse-Ergebnisse
3
Schnittstelle Simulator A
1
Schnittstelle Simulator A
Simulatordaten
Simulator A
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UI
Simulator A
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Konzept
Aggregating
Server
Portverschaltung
3
OPC UA Client
Adapter
Subscription-Erstellung
für Output-Ports
OPC UA Server
Portverschaltung
CreateMonitoredItems (Methodenaufruf)
Referenzerstellung für Portverschaltung
(EingangA <-> AusgangX)
Call – connectPorts()
4
2
OPC UA Server
OPC UA Client
Portverschaltungen
1
Schnittstelle Simulator A
UI
Simulator A
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Konzept
Wertaktualisierung
3
OPC UA Server
OPC UA Client
4
5
Aktualisierte
Ausgänge
2
OPC UA Server
OPC UA Client
OPC UA Server
1
6
Schnittstelle Simulator A
Schnittstelle Simulator B
Aktualisierte
Ausgänge
Aktualisierte
Eingänge
Simulator A - Slave
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OPC UA Client
Simulator B - Master
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Konzept
Simulationssteuerung
3
OPC UA Client
Methodenaufruf
OPC UA Server
Methodenaufruf
Call
Call
2
4
OPC UA Server
OPC UA Client
OPC UA Server
OPC UA Client
Steuerbefehle
5
5
1
Schnittstelle Simulator A
Schnittstelle Simulator B
Simulator A - Slave
Simulator B - Master
UI
Steuerbefehle
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Konzept
Simulationssteuerung
 Zustandsübergangsgraph
NOSIMULATION
close
 Aggregating Server Methoden
open
LOADED
reset
init
STOPPED
stop
start
RUNNING
doProceed
•
register(url, rootNodeId)
•
unregister(url)
•
setMaster(url)
•
connectSignals(inSim, inSig, outSim, outSig)
•
disConnectSignals(inSim, inSig, outSim, outSig)
•
open(), close(), init(), reset(), start(), stop(), doStep(),
doProceed(), setSpeed(), createSnapshot(),
loadSnapshot()
•
Aufruf der entsprechenden Methoden in den
angeschlossenen Simulatoren
PROCEEDING
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Umsetzung
Prototyp
 Co-Simulationsumgebung
• Aggregating Server
• Simulatorspezifische Adapter für
SIMIT und FMI
 open62541 als OPC UA Stack
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Umsetzung
Anwendungsbeispiel
Tankmodell
Mischen
FMI1
SIMIT2
Filter
Mischen
Reaktor
Abfüllung
SIMIT 1
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Zusammenfassung
 Flexibles Co-Simulationskonzept mittels OPC UA
• Semantische Selbstbeschreibungsmechanismen
• Sichere Kommunikation
 Vorteile
• Wiederverwendbarkeit bestehender Simulationsmodelle
• Anwendungsfallorientierter Einsatz von Simulationswerkzeugen
• Resourceneinsparung
• Eingliederung von Hard- und Software
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Ausblick
 Konzept
• Fehlerbetrachtungen (Abstürze von Simulatoren, Fehlerzustände, Abbruchtransitionen)
• Robustheit (Verschaltungsprüfungen, automatische Typkonvertierungen)
 Prototyp
• Untersuchung von Performance & Skalierungseigenschaften
• Einbindung einer realen Steuerung
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Ausblick
Co-Simulation in einem modularen Anlagen-Ökosystem
 Module
•
•
•
•
Erfüllt VT-Funktion
Eigene Steuerung
Eigenes Sicherheitsverhalten
Eigene Simulation
 Läuft intern ab (z.B. RaspberryPi)
 Engineering
• Modulauswahlphase (Onlinebereitstellung des Simulationsmodells durch Hersteller)
 Betrieb
• Können tatsächliche Alterungserscheinung des speziellen Moduls mit einbeziehen
• Selbstüberwachung (Abgleich Simulation mit realem Zustand)
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19
Vielen Dank für Ihre Aufmerksamkeit!
Prof. Dr.-Ing. habil. Leon Urbas
Technische Universität Dresden
Fakultät Elektrotechnik und
Informationstechnik
Institut für Automatisierungstechnik
Für spätere Fragen:
[email protected]
Tel.: +49 351 463-34604
Fax: +49 351 463-39681
Besucheradresse:
Barkhausen-Bau
Georg-Schumann-Str. 11
01187 Dresden
Postanschrift (Briefe):
Technische Universität Dresden
Fakultät Elektrotechnik und
Informationstechnik
Institut für Automatisierungstechnik
01062 Dresden
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Quellen und Bildnachweise
[1]
http://www.chainalytics.com/12442-2/
[2]
Bildnachweis Modul einfügen
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Anhang
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Konzept
OPC UA Methoden

Methoden auf Simulator Server
•
open()/close()

Methoden auf dem Aggregating Server (AS)
•
 Bekanntmachung des Simulationsserver im AS
 Erster Simulator als Master (Simulationssteuerung),
Weitere Simulatoren als Slave
 Projekt-/Versionsverwaltung
•
init()/reset()
 Initialisiere mit Werten
 Reset der Simulation
•
start()/stop()
 Start/Stop Simulation
•
doStep(time)
•
doProceed(time)
•
•
•
setSpeed()
connectSignals(inSim, inSig, outSim, outSig),
disConnectSignals(inSim, inSig, outSim, outSig)
open(), close(), init(), reset(), start(), stop(),
doStep(), doProceed(), setSpeed(),
createSnapshot(), loadSnapshot()
 Aufruf der entsprechenden Methoden in den
angeschlossenen Simulatoren
 Setze Simulationsgeschwindigkeit
•
setMaster(url)
 Über Methodenaufrufe kann Rolle geändert werden
 Simulationszeit weiterschalten
•
unregister(url)
 Abmelden eines Simulators vom AS
 Führe Einzelschritt aus
•
register(url, rootNodeId)
createSnapshot()/loadSnapshot()
 Erstelle/Lade Snapshot
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Konzept
Wertaktualisierung (Zeitdiagramm)
SIMIT1
SIMIT2
AggServ
FMI1
allStates(RUNNING)
success
doProceed()
RUNNING
Subscription -> Update der
Ausgänge
allStates(RUNNING)
doProceed()
Propagierung der aktu alisierten
Werte an verschalteten
Simulator (Write) -> aktuelle
Daten s tehen für nächsten
Simulationsschritt bereit
RUNNING
doProceed
PROCEEDING
Inputwerte werden für die
Simulation üb ernommen
doProceed()
doProceed
doProceed
RUNNING
PROCEEDING
Inputwerte werden für die
Simulation üb ernommen
RUNNING
success
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Konzept
Simulationssteuerung (Zeitdiagramm)
FMI1
AggServ
SIMIT2
SIMIT1
allStates(NOSIMULATION)
success
open()
NOSIMULATION
NOSIMULATION
open()
open
open
open
allStates(LOADED)
open()
Subscription -> Update Status
LOADED
failed
LOADED
Subscription -> Update Status
allStates(LOADED)
success
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