CN108027602B - 模拟工业过程、设施或机器的真实控制器的模拟方法和执行该模拟方法的模拟系统 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种用于模拟工业过程、设施或机器的真实控制器的模拟方法以及用于执行这种模拟方法的模拟系统。用于模拟工业过程、设施或机器的真实控制器(2)的模拟方法应该能够更容易得出在模拟过程中出现的错误。为此，本发明提出，模拟系统(7)存储在模拟时的中间状态并为中间状态配备时间戳，其中，所存储的一个中间状态可以在后续的时间点重新加载到模拟系统(7)中并且可以基于该中间状态执行模拟。因此，模拟不必始终从要模拟的控制程序的开端开始。

Description

模拟工业过程、设施或机器的真实控制器的模拟方法和执行 该模拟方法的模拟系统

技术领域

本发明涉及一种用于模拟工业过程、设施或机器的真实控制器的模拟方法，其中为模拟系统预设用于控制工业过程、设施或机器的控制程序，其中，模拟系统在执行控制程序的情况下借助于模拟程序得出用于过程、设施或机器的控制指令，并且其中，模拟系统根据过程、设施或机器的模型来得出过程、设施或机器的期望的实际值并在模拟中考虑实际值。本发明还涉及一种用于执行这种模拟方法的模拟系统。

背景技术

机床是众所周知的。它们受数字控制器控制。数字控制器执行由指令步骤组成的用户程序(控制程序)，例如，符合DIN 66025或DIN 66025+的子程序。用户程序在此规定了例如哪些机器流程，例如由机床执行哪些行驶移动。

除了机床的数字控制器外，还有一系列用于工业过程、设施或者机器的其他的工业控制器。这些包括例如可编程逻辑控制器(SPS或PLC)或用于生产机器、机器人等的控制器。

工业控制器通常具有作为运行系统的实时运行系统。它们还具有控制软件。控制软件将用户程序(控制程序或子程序)的指令步骤转换为控制指令。实时操作系统使得该转换实时实现。

当然，为了例如规定用于CNC控制系统的子程序实际上在指定的工件中引起哪些加工，可以尝试对工件进行加工、对加工进行检验并且然后可能修正用户程序。但是，显而易见的是，该措施首先是耗时的，其次是浪费材料的并且再次是成本高昂的。

出于这个原因，例如由公开文献DE10352815A1已知一种用于机床对工件的加工的模拟方法。用这种模拟方法可以计算机辅助地模拟机床对工件的加工。

此外，从公开文献DE19843780A1中已知附加了时间戳的数据的记录。

DE 103 52 815 A1公开了一种用于模拟机床的真实控制器的模拟方法和模拟系统。基于模拟程序，用于机床的控制器的应用程序被逐步地执行并且为机床得出与机器相关的控制指令。

由EP 2479630A1中已知一种用于无碰撞地将设施从待机模式转换到运行模式方法。在此，设施的无碰撞行驶所需的连续过程段的设施运行状态信息至少部分地由实时模拟工具的模拟数据推导出，该实时模拟工具与实际运行并行地实时模拟设施运行。

DE10352815A1公开了一种用机床加工工件的模拟方法。在此，为计算机指定了一个应用程序，该程序描述了机床在指令步骤中加工工件的情况。计算机在执行应用程序时基于用于控制机床的模拟程序逐步确定用于机床的机器相关控制指令。基于机床的计算机内部模型和确定的机床相关控制指令，它可以确定机床的预期实际状态，从而模拟机床相关控制指令的实现。模拟程序被设计为控制器的控制软件。它根据与实际时间无关的虚拟时基确定机器相关的控制指令。

EP2479630A1涉及一种用于无碰撞地将系统从待机模式转换到操作模式的方法，系统的无碰撞启动所需的连续过程段的系统运行状态信息至少部分地由实时模拟工具的模拟数据导出，该模拟工具与实际运行并行地实时模拟系统运行。

在工业控制器的模拟中，从开端开始按顺序地执行控制程序。如果模拟过程中出现错误，其诱因已经在时间上错置地出现在过去，则必须从头开始重新执行用于故障排除的模拟会话。

发明内容

本发明的目的在于提供一种模拟方法和一种模拟系统，借助该模拟方法和模拟系统可以更容易地确定在模拟过程中出现错误的原因。

该目的通过一种用于模拟工业过程、设施或机器的真实控制器的模拟方法来实现，

-其中，为模拟系统预设用于控制工业过程、设施或机器的控制程序，

-其中，模拟系统在执行控制程序的情况下借助模拟程序得出用于过程、设施或机器的控制指令，

-其中，模拟系统根据过程、设施或机器的模型(M)得出过程、设施或机器的预期实际值，并在模拟时考虑该实际值，

-其中，模拟系统存储在模拟时的中间状态并为中间状态配备时间戳，并且其中，所存储的图个中间状态在后续的时间点被重新加载到模拟系统中，并且基于此执行模拟，

-其中，在重新开始模拟之前，控制程序被改变和/或其中存储器内容和/或系统状态被手动改变。

此外，该目的通过一种用于模拟工业过程、设施或机器的真实控制器的模拟系统来实现，

-其中，能够为模拟系统预设用于控制工业过程、设施或机器的控制程序，

-其中，通过模拟系统在执行控制程序的情况下借助于模拟程序能够得出用于过程、设施或机器的控制指令，

-其中，通过模拟系统根据过程、设施或机器的模型(M)得出过程，设施或机器的期望的实际值，并在模拟时考虑该实际值，

-其中，通过模拟系统能够存储在模拟时的中间状态并为中间状态配备时间戳，并且其中，所存储的一个中间状态在后续的时间点被重新加载到模拟系统中并且基于该中间状态执行模拟，

-其中，在重新开始模拟之前，能够改变控制程序和/或能够手动改变存储器内容和/或系统状态。

本发明的核心在于，模拟系统存储在模拟时的中间状态，并为中间状态配备时间戳，其中，所存储的中间状态在后续的时间点被重新加载到模拟系统中并基于此执行模拟。因此，系统可以重置到进行模拟的过去时间的任何时间点。模拟由此不必始终从头重新开始。这可以显着缩短故障排查所需的时间。

根据本发明的模拟系统包括模拟硬件，优选为标准PC，模拟软件在模拟硬件上运行。模拟软件优选是专门为要模拟的真实工业控制器而开发的或者至少是与之匹配的。为了模拟对真实的工业过程、真实设施或真实机器进行控制的真实工业控制器的行为，将应由工业控制器执行的控制程序加载到模拟系统中。优选地，控制程序与在真实控制器上运行的控制程序相同并且描述控制器要执行的控制功能。控制程序借助模拟程序来处理或执行。为此，模拟程序提供所需的输入数据或输入信号(“实际值”)，并以相关过程或设施或机器的控制指令的形式获取模拟控制器生成的输出信号。在此，实际值还可能包括过程或机器状态以及预期的传感器信号。实际值有利地根据用于相应过程、设施或机器的适当模型来得出。通常，通过相应参数化的软件将模型集成到模拟系统中。

根据本发明，在模拟控制时，读取并存储中间状态。这尤其意味着存储器内容和/或系统状态被读取和中间存储。有利的是，模拟控制器的所有相关的存储器内容和/或系统状态被读取并中间存储。由此，也获取了输入信号(实际值)，因为这些也存储在存储器中。有利的是，中间存储的数据配备有时间戳，从而可以在后续的时间点询问相应的存储器，在哪个存储器地址下在哪个时间点存储了哪些内容。如果对模拟的整个持续时长都进行了这种记录，则可以重建和分析在整个模拟期间的每个状态。然而，在需要时，可以特别有利地重新加载所执行的模拟的特定的中间状态，并且可以从该状态起再次执行模拟。通过时间戳记录了具有时间参照的数据，根据时间参照可以识别出数据在哪个时间点或在哪个时间段内有效或者被提供。

为了读取存储器内容或系统状态以及结合时间戳存储中间状态，有利地存在相应编程的模拟控制器。在需要时，其也使得存储的中间状态再次返回到模拟控制器中。

中间状态的读取和记录可以在特定的时间点进行，例如在整个模拟期间以周期性间隔进行或者对于特定的模拟部分进行。但是，读取和记录也可以是事件触发的。这意味着：记录始终在发生相关事件时进行。但是，记录也可以手动触发，即首先响应于用户的相应指令。特别在对于较长时间段记录存储器内容或系统状态时，有利的是，所涉及的数据没有在周期性的时间点被读取和存储，而是只有当在特定日期时发生某些变化的情况下才被读取和存储。因此，结合规定了所涉及的日期的最后修改的时间点的上述时间戳，也可以为特定的时间点获得存储器内容或系统状态的完整映射并且明显降低产生的数据量。

在本发明的优选实施例中，模拟(虚拟)控制器包括与真实控制器的真实组件相对应的多个虚拟组件，其中为各个虚拟组件存储中间状态。例如，机床的数字控制器(CNC-计算机数字控制)通常包括NCK(Numerical Control Kernel数控内核)，实时系统隐藏在其后面，该实时系统使得在工件的加工时在工具与工件之间产生相对移动。另外，CNC控制器总是包括用于机床中多种辅助控制功能的PLC(可编程逻辑控制器)。例如，其监视安全设备或在需要时负责工具更换。作为CNC控制器的另一个基本组件，通常还有HMI(人机界面)，其允许操作者访问控制器。根据本发明的方法能够仅应用于组件之一处。然而，其优选地用于相关控制器的多个、尤其是所有组件处。因此，实现了对相对应的真实控制器的全面模拟以及根据本发明对整个控制器的、相关的、简化的故障查找。

有利地，虚拟组件可以分别在组件内部存储中间状态并重新加载它们。这意味着，每个组件自身都存储其中间状态，并在需要时重新加载中间状态。这简化了处理过程并确保了对记录的数据的更好概览。

在另一个有利的实施方式中，为模拟系统预设过程参数或设施参数或机器参数，并且模拟系统由此使过程的、设施的或机器的模型匹配于真实过程、真实设施或真实机器。因此，模拟软件可以灵活设计，而且可以生成足够精确的模型。

附图说明

其他优点和细节从以下结合附图对实施例的描述得出。在此以原理图示出：

图1示意性地示出机床和模拟系统，

图2示出了在不同时间点存储中间状态，以及

图3示出了一个特定的所存储的中间状态的加载。

具体实施方式

根据图1，示意性示出的机床1由真实的数字控制器2(CNC 2)控制。为此，例如由用户3或由未示出的控制计算机为数字控制器2输送用户程序(控制程序)4，其结合CNC控制器还称为子程序。在此，用户程序4由对机床1应实现的加工进行描述的指令步骤组成。替代地，指令步骤也可以是机器相关或机器独立的。

数字控制器2执行用户程序4。在执行用户程序4的范畴中，数字控制器2逐步地得出用于机床1的与机器相关的控制指令并相应地控制机床1。这在实时内核(NCK)5的范畴内发生。实时内核5包括实时运行系统5'和控制软件5”。这些已经由数字控制器2的制造商存储在数字控制器2中。在通过数字控制器2执行用户程序4的范畴中，机床1借助于工具例如对工件6进行加工。

为了模拟机床1对工件6的加工，设置有模拟系统7，在该模拟系统7上为了对控制器2进行模拟执行为此建立的模拟程序8。根据图1，模拟系统7是与数字控制器2不同的装置。因此它不用于控制机床1。

根据图1，模拟系统7还具有大容量存储器(未示出)，例如硬盘。要模拟的控制程序9被加载到大容量存储器中。在此如图1所示，控制程序9可以事先例如经由数据载体10输送给模拟系统7，在数据载体上以(专门的)机器可读的形式存储有控制程序9。这种数据载体10的一个实例是CD-ROM。但是，控制程序9也能以另外的方式输送给模拟系统7，例如通过LAN(LAN＝局域网)或因特网。

控制程序9设置用于随后一次性地传输到CNC 2上并借助机床1制造工件。然而，在此之前，它应该在模拟系统7上被测试。为此，模拟系统7借助虚拟CNC控制器11模拟真实CNC控制器2的功能。机床1的功能也以虚拟机床20的形式一同包括在模拟系统7中。模拟系统7可以与在真实CNC控制器2上的运行一样地执行控制程序9。在此，真实机床1的模型20使得对于相应加工步骤为虚拟CNC控制器7提供真实机床1的预期实际值(机器状态，传感器信号等)。

借助预设给模拟系统7的调用命令，可以调用控制程序9。调用命令可以例如由用户13直接预设给模拟系统7。但是，也可以通过计算机到计算机连接(未示出)来预设，例如，来自数字控制器2或来自另一台未示出的计算机。在此，计算机到计算机连接原则上可以根据需要任意设计。例如，它可以设计为以太网或因特网连接。其他设计方案是可行的。在调用控制程序9时，模拟系统7执行用于模拟CNC控制器2进而用于模拟机床1对工件6的加工的模拟方法。

虚拟CNC控制器11有利地被划分为其基本组件，这些在此是NCK12、PLC 13和HMI14。这种划分可以例如通过模拟程序8内的相应子程序实现。此外，这些组件有利地指派有自有的逻辑和/或物理存储区域15至17。

根据本发明，通过模拟系统7存储在模拟时的中间状态并为中间状态配备时间戳，从而一个所存储的中间状态在后续的时间点重新加载到模拟系统7中并基于该中间状态可以重新执行模拟。有利地，与中间状态相关的数据被存储在存储区域15至17中。

图2和3普适地并独立于图1的具体实施例示出了特定中间状态的中间存储和重新加载。然而，对于本领域技术人员而言，该实施例能够容易地传输到根据图1的具体实施方式上。

根据图2，组件K1、K2和K3的相应中间状态在特定的时间点t1和t2被中间存储在存储器18中。在此，图2首先示出了时间流程。尤其是，存储器18还可以包括多个逻辑和/或物理存储器，其被固定地对应于相应组件K1至K3。中间状态的读取和存储尤其通过模拟控制器19来控制。这也使得为中间存储的值分别分配了所涉及的时间戳，从而为所涉及的系统状态(中间状态)分配有对于该状态的明确单一的时间说明。

图3现在说明了将模拟系统重置为中间存储的系统状态。为此，使用者预设系统重置、也就是说应再次建立所涉及的中间状态的时间点。在本实施例中，这是时间点t1。因此，从存储器18读取配备有时间戳t1的存储器内容并将其重新传输到原始存储单元中。因此，模拟可以从时间点t1起重新执行。

结合本发明，在从时间点t1起重新开始模拟之前，改变控制程序。由此，从时间点t1开始，可以新执行不同的程序变体。同样，在模拟开始之前，还可以手动改变存储器内容和/或系统状态。由此，也能够测试不同的输出状况，而不必始终从开端起重新执行控制程序。这增加了灵活性并节省了时间。

Claims (9)

1.一种用于模拟工业过程、设施或机器的真实控制器(2)的模拟方法，

-其中，为模拟系统(7)预设用于控制工业过程、设施或机器的控制程序(9)，

-其中，所述模拟系统(7)在执行所述控制程序(9)的情况下借助于模拟程序(8)得出用于过程、设施或机器的控制指令，

-其中，所述模拟系统(7)根据过程、设施或机器的模型(20)得出过程、设施或机器的期望实际值并在模拟时考虑该实际值，

其特征在于，

所述模拟系统(7)存储在模拟时的中间状态并为所述中间状态配备时间戳，其中，所存储的一个所述中间状态在后续的时间点被重新加载到所述模拟系统(7)中并且基于该中间状态执行模拟，在所述模拟重新开始之前，改变所述控制程序和/或其中手动地改变存储器内容和/或系统状态，其中，模拟控制器(11)包括对应于所述真实控制器(2)的真实组件的多个虚拟组件(12、13、14；K1、K2、K3)，并且其中各个所述虚拟组件(12、13、14；K1、K2、K3)的中间状态被存储。

2.根据权利要求1所述的模拟方法，其中，所述虚拟组件(12、13、14；K1、K2、K3)分别在组件内部存储所述中间状态。

3.根据权利要求1或2所述的模拟方法，其中，为所述模拟系统(7)预设过程参数或设施参数或机器参数，以使过程、设施或机器的所述模型(20)匹配于真实过程、真实设施或真实机器。

4.根据权利要求1所述的模拟方法，所述模拟方法用于模拟用于机床(1)对工件(6)的加工的数字控制器(2)。

5.一种用于模拟工业过程、设施或机器的真实控制器(2)的模拟系统(7)，

-其中，能够为所述模拟系统(7)预设用于控制工业过程、设施或机器的控制程序(9)，

-其中，通过所述模拟系统(7)在执行所述控制程序(9)的情况下借助于模拟程序(8)能够得出用于过程、设施或机器的控制指令，

-其中，通过所述模拟系统(7)根据过程、设施或机器的模型(20)能够得出过程、设施或机器的期望实际值并能够在模拟时考虑该实际值，

其特征在于，

通过所述模拟系统(7)能够存储在模拟时的中间状态并能够为所述中间状态配备时间戳，其中，所存储的一个所述中间状态在后续的时间点能够被重新加载到所述模拟系统(7)中并且基于该中间状态能够执行模拟，在所述模拟重新开始之前，能够改变所述控制程序和/或能够手动改变存储器内容和/或系统状态，其中，模拟控制器(11)包括对应于真实控制器(2)的真实组件的多个虚拟组件(12、13、14；K1、K2、K3)，并且其中各个所述虚拟组件(12、13、14；K1、K2、K3)的中间状态能被存储。

6.根据权利要求5所述的模拟系统，其中，通过所述虚拟组件(12、13、14；K1、K2、K3)能够分别在组件内部存储所述中间状态。

7.根据权利要求5或6所述的模拟系统(7)，其中，能够为所述模拟系统(7)预设过程参数或设施参数或机器参数，以使过程、设施或机器的所述模型(20)匹配于真实过程、真实设施或真实机器。

8.根据权利要求5所述的模拟系统(7)，所述模拟系统用于模拟用于机床(1)对工件(6)的加工的数字控制器(2)。

9.一种存储介质，具有存储在所述存储介质上的控制程序(9)，所述控制程序用于执行根据权利要求1至4中任一项所述的模拟方法。

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