CN104793983B - 用于模拟自动化工业设备的方法和模拟装置 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种用于模拟自动化工业设备的方法，其中工业设备映射到设备模型中且设备模型分为多个子模型；在此子模型利用具有计算算法或数学方程的性能描述建模；每个子模型根据工业设备到设备模型中的映射与至少一个其他子模型连接，其中在准备模拟时通过编译运行使设备模型或子模型编译为能由实施模拟的计算机系统实施的形式；在此附加地确定子模型的实施顺序，其中在编译运行之前子模型分别扩大了一运行时间模型，其中运行时间模型具有对应于相应子模型的计算时间，其中根据实施顺序和扩大了的运行时间模型的子模型，以子模型的计算时间的粒度的形式推导出并图像地示出设备模型的总计算时间，由此在设备模型中能识别和定位实时关键的流程路径。
Description
技术领域
本发明涉及一种用于模拟自动化工业设备的方法，其中，使工业设备映射到设备模型中，并且使设备模型分为多个子模型；在此，子模型利用具有计算算法或者数学方程的性能描述来建模；根据工业设备到设备模型中的映射，使每个子模型与至少一个其他的子模型连接，其中，在准备模拟时，通过编译运行，使设备模型或者子模型编译为能够由实施模拟的计算机系统实施的形式；在此，附加地确定子模型的实施顺序。
另外，本发明涉及一种用于模拟自动化的工业设备的包括计算机系统的模拟装置，计算机系统具有模拟软件、带有多个子模型的库、用于为工业设备建立设备模型的组件编辑器；其中，工业设备借助子模型的连接能够映射到设备模型上，其中，子模型具有计算算法或者数学方程；计算机系统具有编译装置和调度装置，编译装置设计用于，通过编译使得设备模型变为能由具有用于模拟的模拟软件的计算机系统实施的形式，调度装置设计用于根据子模型的连接确定子模型的实施顺序。
背景技术
例如在Operator Training System(OTS，操作员培训系统)中或者在用于虚拟运行(VIBM)的系统中，在加工业的环境中优选地使用有实时能力的模拟模型。在本发明的意义中，实时或者有实时能力意味着，模拟的时间单位(时间片)在时间长度上等于自动化装置的采样时间。因此，实时运行理解为计算器系统的运行，其中，程序持续地准备用于处理累积的数据，也就是说，在预设的时间间隔之内能提供处理结果。
根据现有技术，从西门子用户手册“SIMIT SCE”，2009年七月版，SIMIT-HB-SCE-2009-07中已知一种模拟方法和模拟装置。在这种已知的模拟方法中，为模拟器建立并且例如在较长时间内实施设备模型。在经过较长时间模拟设备模型时可能出现，发生运行时间违规，即模型的运行时间比预设的模拟周期更长地持续，该模拟周期又相当于实际的时间长度
发明内容
本发明的目的在于，在模拟期间避免要模拟的设备模型的较晚的运行时间违规(Laufzeitverletzung)。
对用于模拟自动化工业设备的方法来说，该目的利用独立权利要求1的前序部分的特征由此来实现，即子模型在编译运行之前分别扩大了一个运行时间模型，其中，运行时间模型具有与相应的子模型相对应的计算时间，其中，根据实施顺序和扩大了的运行时间模型的子模型，以子模型的计算时间粒度的形式推导出并图像地示出设备模型的总计算时间，由此能够在设备模型中识别和定位实时关键的流程路径。根据本发明，设置模拟元件、特别是子模型，扩大了一运行时间模型。根据子模型的复杂性和计算器的功率，子模型的计算时间能够以模拟时间单位波动，并且也能够发生运行时间违规。借助本发明，在模拟开始之前保障，模拟能实时地或者基于虚拟时间地结束并且不发生运行时间违规。
在本方法的有利的设计方案中，子模型的计算时间根据至少一个参数存放在运行时间模型中，该参数在实施子模型期间取决于状态地影响计算时间，其中，选择计算机系统的计算器配置作为至少一个参数。计算器配置指的是，根据所给出的基础设施对计算机系统的程序或硬件组成部分的确定调整，以及根据其装配而对于系统的调整。硬件配置理解为计算机系统的构件的确定装配。因此，硬件配置例如由确定的主板、处理器型号、确定的显卡和确定的硬盘组成。此外，计算机系统能够另外地配置为，其例如打印到确定的打印机上，其中安装有确定的打印机驱动或者仪器驱动。
为了获得与模拟的可能的运行时间违规相关的可靠论述，在计算机系统的初始化阶段中实施对于由子模型组成的设备模型的编译运行，并且子模型在子模型的实施顺序中，以重叠的图示映射给子模型的相应的计算时间的时间长度，其中，针对计算时间的总和超过模拟周期时间的时间长度的情况，给出实时性违规的指示。
因为实时模拟器在时间片中以周期的方式重新计算子模型，所以所要求的模拟周期时间作为实时预定而存在。如果在模拟中实行设备模型的时间长度长于所要求的模拟周期时间，则存在实时性违规。在为过程技术设备建模时的挑战是，在细致度和模拟速度之间找到合适的平衡。针对子模型的处理时间已经在所要求的模拟周期时间之外的情况，如下地扩充本方法，将模拟周期时间的时间长度识别为超出，并且至少一个子模型并行地实现到第二计算机系统上，因此能够再次遵循所要求的模拟周期时间。
在本方法的另一个优化方案中，在模拟期间，在子模型处执行运行时间测量，其中，从运行时间测量中为不同的计算器配置推导出取决于配置的运行时间预测，并且将计算器配置的具有所求出的运行时间的配置数据组作为参数组保存在运行时间模型中。因此，能够逐渐地并且自适应地改善用于模拟建模的运行时间模型的取决于计算器的运行时间。在此，在模拟设备模型期间，运行时间测量在子模型处不违犯实时性地连续执行并且与目前的计算器配置一起保存。优选地，保存“有价值的情况(Worth Case)”的运行时间，其主要对于运行时间模型的计算而言是重要的。如果在模拟时强烈地改变运行时间，使得实时性违规的风险上升，那么上述用于并行地运行模拟的方法能够重新应用到第二计算机系统上。计算顺序的重新分配将使实时性违规的风险最小化。在通过应用已知的具有其运行时间模型的子模型为新设备建模时，能够参考对于过去的运行时间性能的经验。因此，利用每个新应用来革新地改善设备模拟。
开头所述目的同样通过具有独立权利要求6的前序部分所述特征的用于模拟自动化工业设备的模拟装置由此来实现，即子模型还具有运行时间模型，其中，运行时间模型具有与相应的子模型相对应的计算时间，其中编译装置还设计用于，根据实施顺序和扩大了的运行时间模型的子模型，以子模型的计算时间的粒度的形式推导出并图像地示出设备模型的总计算时间，由此能够在设备模型中识别和定位实时关键的流程路径。
有利地，运行时间模型具有适配装置，并且该适配装置设计用于，根据至少一个参数动态地调整子模型的计算时间，其中该参数在实施子模型期间取决于状态地影响计算时间，其中选择计算机系统的计算器配置作为至少一个参数。
在模拟装置的另一个优化的实施方案中，其具有监控装置，监控装置设计为，子模型在实施顺序中，以重叠的图示映射给子模型的相应的计算时间的时间长度，并且进一步设计用于，针对计算时间的总和超过模拟周期时间的时间长度的情况，给出实时性违规的指示。
为了并行地模拟、即子模型实行到不同的模拟器(计算器)上，模拟装置设计为具有针对带有第二模拟软件的第二计算机系统的接口，另外设计为，为了并行地实行而传递子模型到第二计算机系统处。
另一个改善的模拟装置设计为，具有用于在模拟期间测量子模型的运行时间的测量装置。另外模拟装置设计为，当前适用的计算器配置的测量结果与计算机系统的计算器配置的配置数据组一起作为参数组保存在运行时间模型中。
附图说明
为了进一步阐述本方法和模拟装置，附图示出了实施例。其示出
图1是设备模型中的扩大了一运行时间模型的子模型，
图2是设备模型和部分运行时间的图示，
图3是图2中的设备模型和并行处理时的部分运行时间的图示，
图4是具有扩大了的运行时间模型的子模型的设备模型和遵循所要求的模拟周期时间时的部分运行时间的图示，并且
图5是用于模拟自动化工业设备的模拟装置。
具体实施方式
根据图1，设备模型2模拟了工业设备1。设备模型2包括多个子模型11，12，13，14，其中，在该图示中，为了模拟并且出于简明起见，仅示出子模型11。为设备模型2总是分配至少一个子模型11。设备模型2和子模型11之间的连接线具有初始化1，…，n，这意味着，设备模型2能够包括2n个子模型。在本实施例中，设备模型2包括四个子模型。为每个子模型分配性能描述11a，12a，13a，14a。为了设备模型2的随后的可视化，为每个子模型11，12，13，14分配可视化配置11b，12b，13b，14b。为了在设备模型11中更好地识别和定位实时关键的路径，为每个子模型11，12，13，14分配运行时间模型11c，12c，13c，14c。因此，设备模型2分为多个子模型11，12，13，14，其中，子模型11，12，13，14利用性能描述11a，12a，13a，14a来建模。这些性能描述优选地以计算算法或者数学方程的形式存在。运行时间模型11c，12c，13c，14c具有与相应的子模型11，12，13，14相对应的计算时间21，22，23，24。在用于随后的模拟的编译运行中，在计算机系统的初始化阶段中，检验包括子模型11，12，13，14的设备模型2的模型结构，此时，子模型在子模型的实施顺序中以重叠的图示映射给子模型11，12，13，14的相应的计算时间21，22，23，24的时间长度。
利用重叠的图示，目前能以计算时间21，22，23，24的粒度的形式识别设备模型2的总计算时间20，由此能够在设备模型2中识别和定位实时关键的流程路径。
因此，能够取决于状态地影响子模型11，12，13，14的计算时间21，22，23，24，为此在运行时间模型11c，12c，13c，14c中存放了参数组31，32，33，34。
根据图2，从设备模型2出发示出了编译运行和根据现有技术的子模型11，12，13，14的运行时间的随后的图示。在模拟初始化时、例如在根据现有技术“SIMIT”的设备模拟器中，通过模拟的初始化开始编译运行40。在此，设备模型2编译为能实施的运行时间模型，并且进行优化。通过编译运行40，设备模型2编译为能够由实施模拟的计算机系统实施的形式，在此附加地确定子模型11，12，13，14的实施顺序。
通过时间轴50示出具有其各自的计算时间21，22，23，24的运行时间模型11c，12c，13c，14c。在时间轴50上，第一运行时间模型11c需要第一计算时间21，第三运行时间模型13c需要第三计算时间23，第二运行时间模型12c需要第二计算时间22，并且第四运行时间模型14c需要第四计算时间24。
由计算时间21，22，23，24的总和得出总计算时间20。
为了获得有实时能力的模拟，具有其计算时间的运行时间模型必须位于模拟周期时间30之内。随着计算时间21，22，23，24超过模拟周期时间30而产生了运行时间违规，其通过运行时间违规显示来告知。
根据图3示出了一种可行性，其中，新的总计算时间20位于所要求的模拟周期时间30之内。与之相反，根据图2，在所要求的模拟周期时间中，例如仅部分地进行子模型12的计算，并且随着子模块14甚至不开始计算。这意味着，设备模型2例如不能够用于具有真实的控制系统的HIL测试(HTL-Test)，或者用于操作员训练系统(Operator Training System)。通过本发明，在实施真正的模拟之前，已经获得对于是否存在运行时间违规的认知。根据现有技术，这种实时性违规或者运行时间违规在模拟期间才可能引发问题，并且也在此时才能够识别。因为设备模型2或者模拟模型的最坏情况(Worst Case)的运行时间取决于输入值，所以实时性违规不仅能够出现在模拟的开始，也能够出现在其他任意时间点。因为对于详细的测试或者培训来说经常执行极长的模拟，最重要的是，在实际模拟之前，例如在此所述的在编译运行之后立刻进行的初始化时，已经识别并且可能的话能够消除实时性违规。如果识别出实时性违规，能够采取对策。在此有两种可行性：
1.简化子模型，即通过更高的抽象度减小子模型的计算时间，
2.并行模拟，即子模型实行到不同的模拟器上。
第二种可行性利用图3示出。第一子模型11、第二子模型12和第四子模型14或者映射的其运行时间模型11c，12c，13c，14c，在与用于第三子模型13或者第三运行时间模型13c的第二运行面112平行的第一运行面111中实行。第一运行面111通过具有第一模拟软件101a的第一计算机系统101来操控，第二运行面112通过具有第二模拟软件102a的第二计算机系统102来操控。
因此，因为通过设备模型2的实施顺序允许了，所以在其他的计算器上并行地实行第三子模型13。总计算时间20目前低于所要求的模拟周期时间30并且因此是有实时能力的、允许了并且能够开始模拟。
利用图4示出了模拟流程或者编译运行和在根据本发明的优化模拟模型中的具有其计算时间的运行时间模型11c，12c，13c，14c的映射。根据图1，第一运行时间模型11c设计为具有第一参数组31和第一适配装置31a，其中，适配装置31a包含例如程序技术性的运行时间函数如“获得运行时间(Get Runtime)”或者“测量运行时间(Measure Runtime)”。通过使运行时间模型具有所谓的扩充，时间测量能够通过是根据图5的模拟装置100的组件的测量装置108应用到子模型11，12，13，14上或者运行时间模型11c，12c，13c，14c上。为了在模拟期间预防实时性违规的问题，在模拟期间，在子模型11，12，13，14处执行运行时间测量51，52，53，54。由运行时间测量51，52，53，54能够为不同的计算器配置推导出取决于配置的运行时间预测，并且计算器配置的具有所求出的运行时间的配置数据组作为参数组31，32，33，34能够保存在运行时间模型11c，12c，13c，14c中。
如果目前在模拟中强烈地改变运行时间或者计算时间21，22，23，24，使得实时性违规的风险上升，那么能够采用在图3中已经提到的并行化方法。计算顺序的重新分配将使实时性违规的风险最小化。在模拟期间，计算顺序的重新分配的方法带来了对于预防实时性违规的决定性优势，。在通过应用已知的子模型11，12，13，14为新设备建模时，能够参考过去的运行时间性能的经验。因此，利用每个新应用革新地改善设备模拟。
具有其相对应的运行时间模型11c，12c，13c，14c的子模型11，12，13，14中的每一个目前都具有例如获得运行时间或者测量运行时间的机制，其通过子模型11，12，13，14中的时钟符号来表示。在运行时间模型13c中用阴影表示出运行时间波动55。该运行时间波动55能够在模拟期间由于计算器的不同负载而出现。利用运行时间波动55，为第三运行时间模型13c得出新的第三计算时间23′，其在这种情况下侥幸地小于原有计算时间23。但是仅当在模拟期间利用测量装置108在子模型11，12，13，14处进行运行时间测量时，才能够测定该运行时间波动。
图5示出了用于模拟自动化工业设备1的模拟装置100。模拟装置100包括具有第一模拟软件101a的第一计算机系统101。另外，对于可选的并行模拟来说，模拟装置100包括具有第二模拟软件102a的第二计算机系统102。第二计算机系统102能够经由第一计算机系统101的接口110来供给可能的模拟数据或者模型。另外，第一计算机系统101具有库103。在库103中，存储具有其运行时间模型11c，12c，13c，14c的子模型11，12，13，14。为了建立设备模型2，提供了组件编辑器104，在组件编辑器104中借助子模型11，12，13，14的连接使工业设备1映射到设备模型2上。
通过编译运行应用40将设备模型2输送给编译装置105。编译装置105设计为，通过编译使得设备模型2变为能由具有用于模拟的模拟软件101a的第一计算机系统101实施的形式。
调度装置106，其设计为，根据子模型11，12，13，14的连接为子模型11，12，13，14确定实施顺序，该调度装置连接到编译装置105上。
编译装置105和调度装置106在数据技术上耦合，并且与监控装置107连接。监控装置107用于以子模型11，12，13，14的计算时间的粒度的形式映射并且图像地示出运行时间模型11c，12c，13c，14c，其中，监控装置107还设计用于，识别和定位实时性违规。
另外，用于在模拟期间测量每个子模型11，12，13，14的运行时间的测量装置108设计用于，将对于当前适用的计算器配置的测量结果与第一计算机系统101的计算器配置的配置数据组一起作为参数组31，32，33，34保存。因为每个子模型11，12，13，14各具有适配装置31a，32a，33a，34a，所以能够在模拟期间产生自适应调整的子模型11′，12′，13′，14′，这些子模型对于随后的与其运行时间性能相关的模拟来说已经根据计算器配置进行了改善。
Claims (9)
1.一种用于模拟自动化的工业设备(1)的方法，其中，所述工业设备(1)映射到设备模型(2)中并且所述设备模型(2)分为多个子模型(11，12，13，14)；在此，所述子模型(11，12，13，14)利用具有计算算法或者数学方程的性能描述(11a，12a，13a，14a)来建模；根据所述工业设备(1)到所述设备模型(2)中的映射，每个所述子模型(11，12，13，14)与至少一个其他的所述子模型(11，12，13，14)连接，其中，在准备所述模拟时，所述设备模型(2)或者所述子模型(11，12，13，14)通过编译运行编译为能够由实施所述模拟的计算机系统(101)实施的形式；在此，附加地确定所述子模型(11，12，13，14)的实施顺序，
其特征在于，在所述编译运行之前，所述子模型(11，12，13，14)分别扩大了一运行时间模型(11c，12c，13c，14c)，其中，所述运行时间模型(11c，12c，13c，14c)具有与相应的所述子模型(11，12，13，14)相对应的计算时间(21，22，23，24)，其中，根据所述实施顺序和扩大了的所述运行时间模型(11c，12c，13c，14c)的所述子模型(11，12，13，14)，所述设备模型(2)的总计算时间(20)以所述子模型(11，12，13，14)的所述计算时间的粒度的形式推导出并图像地示出，由此能够在所述设备模型(2)中识别和定位实时关键的流程路径，其中，所述子模型的所述计算时间(21，22，23，24)根据至少一个在实施所述子模型(11，12，13，14)期间取决于状态地影响所述计算时间的参数(31，32，33，34)存放到所述运行时间模型(11c，12c，13c，14c)中，其中，选择所述计算机系统(101)的计算器配置作为至少一个所述参数。
2.根据权利要求1所述的方法，其中，在所述计算机系统(101)的初始化阶段执行用于由所述子模型(11，12，13，14)组成的所述设备模型(2)的所述编译运行，并且所述子模型(11，12，13，14)在所述子模型的实施顺序中，以重叠的图示映射给在所述子模型(11，12，13，14)的相应的所述计算时间(21，22，23，24)的时间长度，其中，对于所述计算时间(21，22，23，24)的总和超过模拟周期时间(30)的时间长度的情况，给出实时性违规的指示。
3.根据权利要求2所述的方法，其中，对于超过所述模拟周期时间(30)的所述时间长度的所述情况，在第二计算机系统(102)上并行地处理至少一个所述子模型(11，12，13，14)。
4.根据权利要求2至3中任一项所述的方法，其中，在模拟期间，在所述子模型(11，12，13，14)处执行运行时间测量(51，52，53，54)，其中，由所述运行时间测量(51，52，53，54)推导出取决于配置的、用于不同的计算器配置的运行时间预测，并且具有所求出的运行时间的、所述计算器配置的配置数据组作为参数组(31，32，33，34)保存到所述运行时间模型(11c，12c，13c，14c)中。
5.一种用于模拟自动化的工业设备(1)的模拟装置(100)，包括计算机系统(101)，所述计算机系统具有
模拟软件(101a)，
具有多个子模型(11，12，13，14)的库(103)，
用于为工业设备(1)建立设备模型(2)的组件编辑器(104)其中，所述工业设备(1)借助于所述子模型(11，12，13，14)的连接能映射到所述设备模型(2)上，
其中，所述子模型(11，12，13，14)具有计算算法(21，22，23，24)或者数学方程，所述计算机系统具有
编译装置(105)，所述编译装置设计为，使得所述设备模型(2)通过编译变为能由具有用于模拟的所述模拟软件(101a)的所述计算机系统(101)实施的形式，所述计算机系统具有
调度装置(106)，所述调度装置设计为，根据所述子模型(11，12，13，14)的连接确定所述子模型(11，12，13，14)的实施顺序，
其特征在于，所述子模型(11，12，13，14)还具有运行时间模型(11c，12c，13c，14c)，其中，所述运行时间模型(11c，12c，13c，14c)具有与相应的所述子模型(11，12，13，14)相对应的计算时间(21，22，23，24)；其中，所述编译装置(105)还设计用于，根据所述实施顺序并根据扩大了的所述运行时间模型(11c，12c，13c，14c)的所述子模型(11，12，13，14)，以所述子模型(11，12，13，14)的所述计算时间的粒度的形式推导出并图像地示出所述设备模型(2)的总计算时间(20)，由此能够在所述设备模型(2)中识别和定位实时关键的流程路径，其中，所述运行时间模型(11c，12c，13c，14c)具有适配装置(31a，32a，33a，34a)，并且所述适配装置(31a，32a，33a，34a)设计用于，根据至少一个在实施所述子模型(11，12，13，14)期间取决于状态地影响所述计算时间(21，22，23，24)的参数(31，32，33，34)动态地调整所述子模型(11，12，13，14)的所述计算时间(21，22，23，24)，其中，选择所述计算机系统(101)的计算器配置作为至少一个所述参数。
6.根据权利要求5所述的模拟装置(100)，具有监控装置(107)，所述监控装置设计用于，使得所述子模型(11，12，13，14)在所述实施顺序中以重叠的图示映射给所述子模型(11，12，13，14)的相应的所述计算时间(21，22，23，24)的时间长度并且进一步设计用于，对于所述计算时间(21，22，23，24)的总和超过模拟周期时间(30)的时间长度的情况，输出实时性违规的指示。
7.根据权利要求5至6中任一项所述的模拟装置(100)，设计为具有针对带有第二模拟软件(102a)的第二计算机系统(102)的接口(110)，另外设计为，子模型(11，12，13，14)为了并行地处理而传递到所述第二计算机系统(102)处。
8.根据权利要求5至6中任一项所述的模拟装置(100)，设计为，具有用于在模拟期间测量子模型(11，12，13，14)的所述运行时间的测量装置(108)，另外设计为，当前有效的计算器配置的测量结果与所述计算机系统(101)的所述计算器配置的配置数据组一起作为参数组(31，32，33，34)保存在所述运行时间模型(11c，12c，13c，14c)中。
9.根据权利要求7所述的模拟装置(100)，设计为，具有用于在模拟期间测量子模型(11，12，13，14)的所述运行时间的测量装置(108)，另外设计为，当前有效的计算器配置的测量结果与所述计算机系统(101)的所述计算器配置的配置数据组一起作为参数组(31，32，33，34)保存在所述运行时间模型(11c，12c，13c，14c)中。
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