仿真系统、用于执行仿真的方法、控制系统和计算机程序产品的制作方法

仿真系统、用于执行仿真的方法、控制系统和计算机程序产品的制作方法
【专利摘要】本发明涉及一种特别是用于控制系统的仿真系统，所述控制系统控制在技术设备中运行的过程（P），其中控制系统包括至少一个作为容器构造的第一运行环境（10），其构造为模拟作为设备的基础的自动化过程并且具有至控制系统的相应的接口（11，12，13）。按照本发明，仿真系统（100a）除了包括第一运行环境（10）之外还包括作为容器构造的、用于控制系统的外围设备的硬件的仿真的第二运行环境（20）。在仿真系统的另一个实施变形（100b）中两个运行环境（10，20）也可以综合为一个运行环境（15）。在两个变形中，第一运行环境（10）的接口（11，12，13）与第二运行环境（20）的接口（21，22，23）几乎相同。本发明还涉及一种用于借助按照本发明的仿真系统来执行仿真的方法。还给出一种相应的控制系统和计算机程序产品。
【专利说明】仿真系统、用于执行仿真的方法、控制系统和计算机程序产
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【技术领域】
[0001]本发明涉及一种特别是用于控制系统的仿真系统，所述控制系统控制在技术设备中运行的过程，其中控制系统包括至少一个作为容器构造的第一运行环境，其构造为模拟作为设备的基础的自动化过程并且具有至控制系统的相应的接口。本发明还涉及一种用于借助按照本发明的仿真系统来执行仿真的方法。还给出一种相应的控制系统和计算机程序
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【背景技术】
[0002]在大型技术设备例如发电场中越来越多地采用训练仿真器，用于培训对于发电场运行的维护人员并且用于训练在发电场的实际运行中可能出现的例外情况和关键运行状态。但是仿真器也可以应用于在技术设备的工程的范围中的测试目的，以便为工程师给出如下可能性:找到在技术设备内部的功能的连接的最佳解决方案或在设备的实现之前识别故障并且由此缩短启动过程。
[0003]仿真器通常是计算机设备，在该计算机设备中可以在接近现实的条件下训练或者阐明技术设备的运行。
[0004]在发电场领域中例如在仿真器中原理上作为软件来模拟发电场。为了在计算机上尽可能现实地模拟发电场设备的运行，需要的是，将在实际的发电场中运行的并且涉及了发电场组件的运行特性和共同作用的处理技术过程，以及包括了为操作和控制而采用的、具有其自动化和操作和观察组件的过程控制系统的自动化技术过程，都借助复杂的软件来仿真。仿真器相应地与现实的发电场相同地表现。如果发电场利用特定的控制系统，例如西门子控制系统SPPA-T3000来运行，则在仿真显示器上的所有细节与来自于现实设备的控制室的那些细节相应。
[0005]通常地，为了仿真发电场设备采用仿真计算机，其是独立于控制系统的，即，是本身单独的计算机系统。为此所需的开销大多要求所采用的仿真计算机的巨大计算容量。用于仿真计算机的硬件必须在每个采用位置处构建、安装和维护。
[0006]目前存在两种不同的仿真方案(参见图1A的描述):其中使用原始的控制系统的操作和观察系统的仿真器，和将控制系统的操作和观察系统，即整个用户界面一起仿真的仿真器，但是这是非常麻烦的并且结果一般来说也不令人满意。该解决方案大多仅还在较旧的控制系统中应用，例如当操作和观察系统不具有仿真能力时，因为例如不存在仿真器时间支持。
[0007]通常存在如下仿真器，其具有用于硬件(其是控制系统的自动化服务器和连接到控制系统的硬件诸如I/o组件、电机、阀等)和用于作为技术设备的基础的物理过程的分离的计算机。(参见图1A的描述)
[0008]在两种情况中，软件就像仿真器的硬件一样与控制系统退耦。通常，使用涉及控制系统的自动化的原始的软件工程数据的部分，即，仿真软件的输入端获得来自于控制系统的值，但是其被写入与控制系统分离的软件中。此外该仿真器的配置是非常复杂的(部分地在过程仿真器情况下用户根本不能访问)并且利用与控制系统的配置工具完全不同种类的配置工具进行。不进行在仿真器和控制系统之间的一致性检查。此外仿真器的配置一般地不考虑用于所连接的硬件(传感器、执行器)的缆线连接或导线连接的工程数据。

【发明内容】

[0009]由此本发明要解决的技术问题是，提出一种仿真系统，通过所述仿真系统，仿真成为控制系统的集成的组成部分。此外本发明要解决的技术问题是，提出一种具有集成的仿真系统的控制系统。本发明要解决的另一个技术问题是，提出一种用于仿真的改进的方法。此外要提出一种相应的计算机程序产品。
[0010]上述技术问题通过独立权利要求的特征解决。有利的构造分别在从属权利要求中反映。
[0011]按照本发明的仿真系统在该变形中包括用于自动化和用于控制系统的外围设备的硬件的仿真的运行环境。两个运行环境具有相同的接口，并且通过所述接口连接到总线系统。这些运行环境也可以融合为一个运行环境。此外每个运行环境本身表示软件组件。在运行环境和软件组件内部存在嵌入的软件组件，作为功能、组件和设备的代表。
[0012]通过按照本发明的仿真系统，自动化功能本身和控制系统的外围设备的硬件的仿真被嵌入到控制系统的软件中。在具有可通用地采用的对于软件组件的运行环境的控制系统中，该运行环境现在既可以在正常的控制系统中实时地对于例如发电场的自动化被使用，也可以在其他实例中被使用，以便仿真硬件。整个自动化的和控制系统的外围设备的硬件的仿真在此有利地在一个实例中运行。为此仅需要在组件数据库中扩展对于控制系统的外围设备的硬件的仿真组件。
[0013]控制系统和硬件仿真器以这种方式按照软件地和由此也在计算机技术上融合为一个单元，这带来大量的优点:
[0014]-仿真系统的配置利用与控制系统的配置相同的工程工具或规划工具进行。
[0015]-仿真系统的规划利用在组件技术上与控制系统内部的实际的设备的规划一样的图形工具进行。
[0016]-由于使用对于配置和规划的相同工具，首次可以实现自动化和仿真之间的一致性检查。由此可以以更大的可靠性保证控制系统的所有功能。
[0017]通过本发明提供一种用于训练和测试目的的简化的仿真系统。由此得到在技术设备的运行中更短的故障时间、在启动过程时的缩短和改进以及改进的仿真质量，因为在整个仿真器解决方案内部存在一致性并且全部在一个平台上运行。
[0018]以下解释一些本申请所使用的概念，以确保相同的理解:
[0019]作为软件组件，一般地指程序，其由直接在操作系统上可运行的软件代码组成，并且向外是封闭的，从而至其他软件组件的通信仅通过精确定义的、至其他软件组件的接口进行。嵌入的(英语“embedded”)软件组件是嵌入到另一个软件组件中的软件组件。其虽然同样向外是封闭的并且仅通过精确定义的至其他软件组件的接口通信，但是其不是直接在操作系统上运行，而是在包围其的软件组件的环境中运行。
[0020]作为容器，在计算机科学中指程序，其由能够直接运行的软件代码组成并且具有至少一个至嵌入的(embedded)软件组件的接口和至少一个至操作系统的接口并且直接在操作系统上能够运行。以下将本身作为软件组件构造的并且形成对于一个或多个嵌入的软件组件的可通用地采用的运行环境的容器，称为“运行容器”。运行容器相应地一方面本身表示了在任意的嵌入的软件组件和操作系统之间的耦合元件并且可以实现嵌入的软件组件在计算机上的运行。另一方面其在其特征上作为软件组件也调解和管理在嵌入的软件组件和借助外部的接口在容器外部的其他软件组件之间的通信。
[0021]实例在此理解为系统中软件组件的类型的具体使用。
【专利附图】

【附图说明】
[0022]以下借助在附图中示出的实施例详细解释本发明。附图中:
[0023]图1A示出了具有其硬件组件的技术设备的控制系统的可能实现的框图，SdT
[0024]图1B示出了示例性的控制系统的控制软件的示意图，SdT
[0025]图2示出了按照本发明的仿真系统的第一实施变形的示意图，和
[0026]图3示出了按照本发明的仿真系统的第二实施变形的示意图。
【具体实施方式】
[0027]图1A以简化形式示出了技术设备的控制系统的可能实现的框图。在该图示中仅示出硬件。要借助控制系统控制的、作为基础的物理过程通过框P表示。在此例如是发电场中用于获得能量的过程、垃圾焚烧或化学过程。原则上作为技术设备的基础的过程也可以是物理、化学、生物或其他技术过程。借助传感器接收的信号传输到输入和输出组件EA1、EA2至EAN。在此可以是纯的输入输出组件或智能的现场设备。同时通过组件EA1、EA2至EAN在处理中也将控制信号传输到现场设备。双向的信号流通过箭头表示。组件EA1、EA2至EAN在背向过程的一侧上与外部的或内部的总线系统BS相连，其收集信号并且例如传输到至少一个自动化服务器AUTS。组件EAl至EAN可以是智能的现场设备，其中传感器和/或执行器与处理逻辑一起集成在直接通过总线系统BS与自动化服务器AUTS相连的设备中。自动化服务器AUTS又可以(如在该例子中解释的)通过通信总线KB与至少一个应用服务器APPS相连。出于可用性原因，在服务器和总线之间的每个连接大多冗余地构造，这通过双线连接线表示。此外在通信总线KB上还连接任意的用户界面。在此是任意的图形用户接口(英语:“graphical user interface”)GUI。在此可以是例如瘦客户机(thin client)。GUI在此理解为任何的操作和观察系统、工程客户机或其他显示系统。
[0028]如在引言中已经解释的，按照现有技术SdT的仿真系统大多这样构造，即要么提供性能非常强的计算机，其仿真控制系统的整个用户界面GUI (如在图中通过框SIMl表示的)，要么通过控制系统的用户界面GUI不是访问自动化服务器AUTS而是访问分开的仿真计算机SIM2。后一种解决方案也可以通过两个计算机来实现，例如通过计算机SIMHW，其仿真作为基础的自动化过程的硬件，和通过计算机SIMP，其仿真作为基础的过程。
[0029]在图1B中示出了如在图1A中结合硬件描述的，对于示例性的控制系统的软件架构的可能实施变形。控制技术的软件在该实施例中被降低到了少数几个组件，以确保更好的概览:作为基本功能，在此提到展示软件51，其可以实现不同操作图像的显示。在此例如可以是在瘦客户机上运行的Web浏览器。运行环境用50表示。此外存在大量软件模块，诸如61、62和63，其例如负责设备的工程、数据的存档、消息管理，或资源管理。所有这些软件模块相应地满足不同的功能。它们可以在本身的运行环境中运行，其在此利用60表示。所有的软件模块互相连接，即，在所有模块之间可以交换数据。
[0030]控制系统的自动化功能在该实施例中通过本身的软件表示。在此是运行容器10，即，本身作为软件组件I构造的并且形成对于一个或多个嵌入的软件组件101、102、111和112的可通用地采用的运行环境的容器。运行容器10管理并且执行所有存在的自动化功能包括处理功能。典型地，运行容器10具有多个接口。接口在以下始终是指数据接口。在此例如是用于工程的接口 13或是接口 11和12，其与其余的控制技术相连，尤其也与运行环境的其他实例相连。此外可以存在对于诊断、对于确定的消息或操作的接口。在图1B中示出在运行容器10内部嵌入的软件组件101和102。它们又具有内部的、标准化的接口，其作为点示出。嵌入的软件组件101和102包含主功能，诸如全部的自动化任务、控制、调节、计算、处理功能、报警管理和执行管理。
[0031]此外示出在运行容器10内部所谓的代表模块111和112。代表模块基本上代表了存在的硬件组件，诸如输入或输出组件。其软件在此通过81和82表示。代表模块111和112负责向现场设备或从现场设备连接输入原始数据并且进行监视并且相应地负责与现场设备的通信。对于该连接使用总线接口 18。运行容器10的该接口至自动化总线(至总线系统BS的总线接口)，通过其，输入和输出组件和智能现场设备与自动化服务器相连。通过该接口，代表模块111和112在运行容器10内部与位于自动化服务器外部(和由此位于运行容器10外部)的输入和输出组件(和智能现场设备)通信。自动化总线根据实施的不同例如可以是Profibus、Modbus、其他的串行总线或是基于以太网的总线(诸如Profinet或纯的TCP/IP或基于UDP的通信)。
[0032]在控制系统的进行的运行中发生软件组件I的运行并且由此也发生在I内部嵌入的软件组件101、102和代表模块111和112的运行，它们通过其内部的接口这样连接，使得整个自动化过程实现。
[0033]在图2和图3中示出了按照本发明的仿真系统的实施变形。在此分别是软件架构，其可以直接与在图1B中示出的架构联合并且连接到其上。
[0034]在图2中按照本发明的仿真系统IOOa在该第一实施例中除了包括在图1B中描述的对于自动化功能的运行环境10之外还包括另一个运行环境20，其按照软件模拟具有所有其接线的控制系统的外围设备的硬件。在该运行环境20中嵌入了所谓的代表模块211和212，其代表了例如直接连接到图1A的总线系统BS上的控制系统外围设备。这例如可以是组件、其他总线连接模块、智能现场设备如执行器(伺服驱动装置、电机控制设备)和传感器或至外来系统的通信组件。软件组件201例如利用在开和闭的方向上的命令和相应的反馈消息来仿真伺服驱动装置的特性或仿真对于处理技术组件的电机的开关设备的插入部分的特性。软件组件201、211、212为此分别具有内部接口(英语“internal interfaces”),通过其例如可以交换物理参量或其他数据和参数。在各个组件和接口之间的连接线代表了在实际的设备中例如通过在控制系统中存在的缆线/电线或通过在现场总线系统中的数据传输进行的该信号交换。(根据电线连接或缆线连接变形的不同也可以将接线柱位置例如作为现场总线中的分配器或中继器来考虑。这些组件在图形中为简化起见没有示出)。代表模块211和212与代表模块111和112相反地构造。相反地在此是指，各自的接口的输入和输出端交换。如111和112类型的代表模块通常负责输入原始数据到控制技术接口的连接或从控制技术接口的连接，而如211和212类型的代表模块则已经仿真组件并且由此负责现场数据到对于更高设置的软件模块的输入原始数据的转换。此外成立，既可以将现实的过程参量也可以将预先给出的或仿真的参量传输到代表模块。
[0035]整个运行环境20现在按照上面描述的容器定义作为运行容器构造或作为软件组件2。在两种情况下存在特定数量的外部的接口(英语“external interfaces”)如21、22和23，其可以实现与控制系统的其余程序部分的通信。接口 23可以如负责自动化的第一运行环境10的接口 13那样负责利用工程数据填充容器并且与组件总线90相连。在软件组件I和2或者说运行环境10和20之间的通信可以通过接口 18和28进行。接口 28根据总线类型的不同要么与接口 18相同(一般地对于基于以太网的总线系统)，要么根据总线系统的不同提供对于接口 18的互补的接口(一般地对于具有主机-从机功能的串行总线系统)。附加地可以存在另一个接口 24，其允许到过程的连接。通过该接口 24可以传输过程数据，所述过程数据由过程仿真器、即仅负责技术过程的仿真计算机传输。
[0036]按照本发明(负责控制系统的自动化的)第一运行环境10的接口 11、12、13与(负责外围设备的硬件的)第二运行环境20的接口 21、22、23几乎相同。这意味着，两个容器10和20的通信通过相同的接口进行，所述接口引导到控制系统。接口 11、12和13在其功能上和物理上与接口 21、22、23相同地实施。可能有微小的改变以匹配特定的边界条件。
[0037]在第二实施变形中，如在图3中所示，两个运行环境10和20综合为一个运行环境
15。在该实施变形中仿真系统IOOb现在仅由一个运行环境组成。该运行环境也可以作为软件组件15’构造。嵌入的软件组件和各个软件组件I和2的代表模块现在可以在运行环境15中实施。在嵌入的组件和由前面的10和20构成的模块之间的之前的包围容器的连接或接线现在变为容器内部的连接或接线。之前的外部的接口现在变为内部的(在容器中包含的)接口。在第一软件组件I的代表模块111和112和第二软件组件2的代表模块211和212之间的连接表示了一个为此的例子。对于与控制系统的通信现在至少有接口 11、12和13可用。附加地在此还可以存在另一个接口 24，其允许连接到过程。
[0038]不取决于仿真系统现在是按照图2由对于自动化和控制系统的外围设备的硬件的两个运行环境构造(变形100a)还是按照图3两个功能在一个运行环境中实施(变形100b)，存在用于连接过程数据的不同的可能性。所述过程数据例如可以从过程仿真器200获得。
[0039]按照图2，过程仿真器200可以直接通过不同的接口连接到仿真系统100。一方面，过程仿真器200可以通过额外为此设置的接口 33连接到硬件仿真器的接口 24上。另一方面，过程仿真器200可以通过仿真系统100的接口 11、12或21、22到过程仿真器200的接口 31、32的转换而被连接。在按照图3的另一个实施变形中，过程仿真器200通过本身的为此设置的适配器99的连接也是可以的。在此可以是用于关联和转换任意的过程数据的程序。在这种情况中到仿真器IOOb的连接通过本身的为此设置的接口 24或通过接口 11和12的转换也是可以的。
[0040]控制系统或其部分的仿真现在按照以下进行:
[0041]-借助控制系统的规划工具产生第一运行环境10。
[0042]-同样借助事先对于第一运行环境使用的、控制系统的规划工具产生具有全部嵌入的软件组件诸如201、代表模块211、212和接线的第二运行环境20。
[0043]-构造为模拟作为设备的基础的、具有其接线的自动化过程的运行环境10然后被转换到仿真模式而不改变存在的规划。
[0044]在下一个步骤中运行环境10和20或者互相分离地或一起运行，其中进行技术设备或技术设备的部分的仿真。
【权利要求】
1.一种特别是用于控制系统的仿真系统(100a)，所述控制系统控制在技术设备中运行的过程(P)， 其中所述控制系统包括至少一个作为容器构造的第一运行环境(10)，所述第一运行环境构造为模拟作为设备的基础的自动化过程并且具有至控制系统的相应的接口(11，12，13)， 其特征在于， 所述仿真系统(IOOa)除了包括第一运行环境(10)之外还包括至少一个作为容器构造的第二运行环境(20)， 所述第二运行环境构造为，模拟具有其接线的控制系统的外围设备的硬件并且具有至控制系统的接口(21，22，23)和至少另一个可选的接口(24)，通过该可选的接口能够传输过程数据,和 所述第一运行环境(10 )的接口( 11，12，13 )与所述第二运行环境(20 )的接口( 21，22，23)几乎相同。
2.根据权利要求1所述的仿真系统(100a)，其特征在于，所述运行环境(10，20)本身表示软件组件(1，2)。
3.根据权利要求1或2所述的仿真系统(100a)，其特征在于，在所述第一运行环境(10)或第一软件组件(I)和 所述第二运行环境(20)或第二软件组件(2)之间的通信通过总线接口(18，28)进行。
4.根据权利要求1所述的仿真系统(100b)，其特征在于，所述第一运行环境(10)和所述第二运行环境(20)综合为一个运行环境(15)。
5.根据权利要求4所述的仿真系统(100b)，其特征在于，所述运行环境(15)本身表示软件组件(15’)。
6.根据权利要求1至5中任一项所述的仿真系统(100a，100b)，其特征在于，所述运行环境(10，20，15)或软件组件(1，2，15’ )包括嵌入的软件组件(101，102，201)和代表模块(111，112，211，212)，其相应于功能而互相连接，并且在调用该功能时软件组件和代表模块发生运行。
7.根据权利要求6所述的仿真系统(100a,IOOb)，其特征在于，所述第二运行环境(20)包括:嵌入的软件组件(201)和代表模块(211，212)，用于在控制系统的外围设备中的组件和设备及其接线或连接。
8.根据权利要求7所述的仿真系统(100a，100b)，其特征在于，所述第二运行环境(20)的代表模块(211，212)的接口这样构造，即，其模拟所述控制系统的导线连接器的输入和输出端的接口。
9.根据权利要求7或8所述的仿真系统(100a，100b)，其特征在于，所述第二运行环境(20)的代表模块(211，212)与所述第一运行环境(10)的代表模块相反地构造，其中所述接口的输入和输出端交换。
10.根据权利要求7至9中任一项所述的仿真系统(100a，100b)，其特征在于，既将真实的过程参量又将预先给出的或仿真的参量传输到所述第二运行环境(20)的代表模块(211，212)。
11.根据权利要求1至10中任一项所述的仿真系统(100a，100b)，其特征在于，所述仿真系统(100a，100b)与过程仿真器(200)相连。
12.根据权利要求11所述的仿真系统(100a，100b)，其特征在于，所述过程仿真器(200 )通过所述仿真系统(100a, IOOb )的接口( 11，12，21，22 )到所述过程仿真器(200 )的接口(31，32)的转换而连接。
13.根据权利要求11所述的仿真系统(100a，100b)，其特征在于，所述过程仿真器(200 )通过适配器(99 )连接，其中所述仿真系统(100a，IOOb )的接口( 11，12，21，22 )被转换到所述适配器(99)的接口。
14.一种用于借助按照权利要求1至13中任一项所述的仿真系统(100a，100b)执行仿真的方法， 其特征在于， -借助控制系统的规划工具产生第一运行环境(10)， -同样借助之前对于第一运行环境使用的、控制系统的规划工具产生具有其嵌入的软件组件(201)、代表模块(211，212 )和接线的第二运行环境(20 )， -构造为模拟作为设备的基础的、具有其接线的自动化过程的运行环境(10)被转换到仿真模式而不改变存在的规划， -并且然后在所述运行环境(10，20)中执行技术设备或技术设备的部分的仿真。
15.根据权利要求14所述的方法，其特征在于，从设备的硬件规划中自动地产生所述第二运行环境(20)的具有 接线或连接的硬件的规划。
16.一种控制在技术设备中运行的过程(P)的控制系统，其特征在于， 包括按照权利要求1至13中任一项所述的仿真系统(100a，100b)并且运行按照权利要求14或15所述的方法以进行仿真。
17.根据权利要求16所述的控制系统，其特征在于， 利用与控制系统的其他部分相同的规划工具来配置所述仿真系统(100a，100b)。
18.根据权利要求16或17所述的控制系统，其特征在于， 图形地在组件技术中规划所述仿真系统(100a，100b)。
19.一种计算机程序产品，其被加载到计算机的存储器中并且包括软件代码段，用以当所述产品在计算机上运行时实施按照权利要求14或15所述的方法。
【文档编号】G05B17/02GK103597414SQ201280028224
【公开日】2014年2月19日 申请日期:2012年6月5日 优先权日:2011年6月9日
【发明者】A.拉斯杰布, R.斯派赫, M.安克巴赫 申请人:西门子公司