CN113661455A - 使用数字孪生来工程规划和模拟自动化系统的方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种用于工程规划自动化系统(A)的方法。在自动化系统(A)调试之前，通常会对其进行测试。针对每个真实的部件(OS1，OS2，AS1，AS2)都会生成一个所谓的数字孪生或虚拟的部件(VOS1，VOS2，VAS1，VAS2)并将其加载到服务器(ES，S)上，以代替真实的部件来模拟地实施这些部件的功能。因此，用户能够在工程规划期间用虚拟的部件替换各种真实部件，并检查或模拟自动化系统的功能。以这种方式，能够并行运行地优化自动化系统，或者能够实现自动化程序和设施映像的共存的、安全的、灵活的和逐级的调试。
Description
技术领域
本发明涉及一种用于工程规划自动化系统的方法，该自动化系统用于控制方法技术设施中的过程，其中，该自动化系统包括用于实施显示，操作和自动化功能并且通过通信系统彼此连接的多个硬件部件。本发明还涉及设计用于执行该方法的自动化系统。
背景技术
所谓的“数字孪生”是众所周知的生产技术。在此，是计算机辅助映像或现实世界中物体的代表。根据Gabler Wirtschaftslexikon(https://Wirtschaftslexikon.Gabler.de/definition/digitaler-zwilling-54371)，数字孪生被限定为例如流程、产品或服务的虚拟模型，其连接真实和虚拟世界。数值孪生由数据和算法构建，并使用安装的传感器的真实数据，这些传感器例如代表机器的工作条件或位置。数字孪生映射设施的整个生命周期(设计，创建，运行和回收)。即使在规划阶段，工程师也能够使用模拟模型来优化流程。如果设施在运行中，能够使用相同的模拟模型来继续优化流程和改变生产。
创建数字孪生需要不同的元素。通常，这些元素是要真实映射的对象，虚拟展示空间和有关环境条件的数据。该孪生通过真实物体的收集到的实时数据和描述性的算法来创建，并将它们映射在数字展示空间中。通常使用模块化概念，其中，数字孪生由许多单个的数字孪生组成。(https://www.bigdata-insider.de/was-ist-ein-digitaler-zwilling-a-728547/)
在方法技术过程的自动化的范畴中也给出了用于真实物体的计算机辅助映像的多种应用。
在方法技术设施调试时通常预设，使得利用模拟或仿真对设施的工程规划进行补充。在将自动化程序和设施映像加载到实际的和运行的设施中之前，必须对他们进行相应的测试，并在必要时进行更正。为此，通常使用数字孪生，即将自动化程序例如加载到虚拟影子系统的仿真自动化服务器中并进行测试。为了虚拟化现场级而使用设施模拟器，设施模拟器处理现场级的模型并与虚拟自动化系统交换过程输入和过程输出。模拟/仿真与自动化系统的工程规划完全分离，这通常是非常不利的，为了更改和调整自动化程序和设施映像，必须在模拟和工程规划之间来回切换。这很容易导致模拟中的不一致或参数化错误。这也能够危及真实的设施，例如，如果通过模拟使用的虚拟自动化的IP地址与真实系统的自动化的IP地址重叠，如果两者在同一网络中。
发明内容
因此，本发明的目的在于提供一种更灵活的方法，用于对技术设施的自动化系统进行工程规划，该方法允许作为自动化系统的硬件配置的工程规划的集成组成部分的任意数量组件的共存模拟，仿真或虚拟化。此外，还给出一种用于特别适合用于执行技术设施的自动化系统的方法。
该目的通过具有权利要求1的特征的方法来实现。此外，该目的通过根据权利要求11的自动化系统实现。从属权利要求给出了有利的改进方案。
在模拟的上下文中，人们将待模拟的系统和模拟器称为模拟模型的实施或实现。因此，模拟模型代表了待模拟的系统在结构、功能和行为方面的抽象化。相反地，仿真器则试图尽可能忠于原状地模仿整个目标系统。所模仿的系统得到相同的数据，实施相同的程序并且关于特定的问题达到与真实目标系统相同的结果。在信息学中，虚拟化是指在抽象层的帮助下，由相同类型的类似对象模仿硬件或软件对象。由此，使得产生虚拟设备，例如仿真的硬件或软件。实现对象虚拟化的一种可能性是虚拟机(VMware)。
现在，本发明的目的是在工程规划期间在硬件配置中使用诸如自动化系统(仿真自动化，操作员站服务器等)的仿真硬件部件的虚拟设备，以便有利地并行于真实的硬件部件实现用于自动化程序和设施映像的灵活的和逐级的调试的数字孪生的不同级别和变体方案。
根据本发明的用于工程规划用于控制技术设施中的过程的自动化系统的方法，该自动化系统包括大量用于实施显示，操作和自动化功能的硬件部件，这些部件经由通信系统相互连接，其特征在于，独立于设施的运行，能够并行于至少一个真实硬件部件的工程规划虚拟化地产生、实例化和逻辑连接该部件。以这种方式产生的虚拟的部件能够被(任意)配置和优化，并且然后与真实的组件并行地加载到自动化系统的服务器上，在服务器上实施相应的功能。
在工程规划中使用虚拟的部件的优势是多样的。特别地，自动化程序和设施映像的共存的、安全的、灵活的和分级的调试是可行的。支持基于数字孪生的并行运行的优化。通过集成的工程规划，能够随时配置和监控真实的设施和数字(部分)。
本发明的一大优点是该方法能够“独立于设施的运行地”执行。这意味着，已经能够在调试之前产生虚拟的部件。同时，在调试期间(参见图2)或者甚至在运行期间，虚拟化是可行的。这赋予了技术设施的项目工程师很大的灵活性。
例如，能够通过项目工程师在工程规划服务器的设备库中点击所需的对象来产生虚拟的孪生或虚拟的部件。由此产生一个代表硬件部件的当前状态的实例。在此，虚拟的部件还分配有自己的IP地址。然后确定逻辑连接。这限定了各个部件(此处为设备)之间的通信关系。如果在自动化和操作员站服务器之间限定了逻辑连接，则还能够在运行期间传输过程数据。但是，在将自动化程序和设施映像加载到实际的并且运行的设施之前，现在能够在虚拟的部件中对其任意配置、测试并在必要时进行更正。随后，这样优化的虚拟的部件与自动化系统的服务器上的真实的部件并行地加载和实施。根据本发明的方法有利地允许作为真实的部件和虚拟的部件的对象的两种类型的共存。
在一个特别有利的实施变体方案中，虚拟的部件能够任意地分布到自动化系统的服务器上。这种分布能够灵活地配置。在硬件工程规划中，因此能够确定或明确哪些虚拟的设备应定位在自动化系统的哪些服务器上。以该方式，自动化系统的服务器的存储容量能够被最佳地利用和/或灵活地使用。
本发明的另一个显著优点是能够自由选择虚拟的部件的数量。这产生了可扩展的解决方案。由于这种解决方案的可扩展性，“多用户”模拟也是可能的，因为几乎每个项目工程师都能够配置和使用其自己的、为其测试量身定制的数字(部分)孪生。
在另一个有利的实施变体方案中，能够灵活地配置虚拟的部件之间以及虚拟的与真实的部件之间的逻辑连接。由此，能够实现工程规划的任意的变体方案。通过确定逻辑连接，还能够准确规划允许哪些(虚拟的)设备与哪些(虚拟的)设备通信。
在工程规划中，为了进行更改，能够有利地在真实的部件虚拟的部件之间切换。在特别有利的变体方案中，切换甚至能够平稳地实现。平稳地在这里意味着切换仍然能够在自动化系统的一个周期内实现。
有利地，能够在数据库中管理虚拟的部件。例如，这允许数据库的用户进一步更改或修改另一个用户的部件。以这种方式，工程规划变得更容易，并且或者也能够更快地实现。
在另一个实施变体方案中，针对所有虚拟的部件(以及真实的部件)都支持对技术层级的分配。通过技术层级中的所谓的分配限定了哪些设施部分通过哪些设备被自动化，例如，如果将结构文件夹“子设施”分配给AS1和OS1，则在结构文件夹下方的自动化程序(功能图)被自动地分配给AS1，并将相应的设施映像分配给OS1，并因此也在那里加载和实施。结构文件夹中的子设施最初只能分配给虚拟的部件以进行逐级调试。只有当自动化程序和系统映像的功能已经通过模拟得到保证时，才能将具有子设施的结构文件夹分配给真实的设备。此外，结构文件夹也能够复制在技术层级中的子设施(当然还有更精细的设施部分，例如技术装置以及甚至测量点)并且并行地分配给虚拟的部件，以能够实现与真实的设施并行地运行的数字孪生(例如用于运行优化)。
在虚拟的部件加载到自动化系统的服务器上之前，能够有利地将自动化文档、例如用于调试的功能计划或设施映像分配给虚拟的部件。在逐级调试的过程中，虚拟的设备能够运行并行地首先与虚拟的设备交互，后来也与真实的设备交互。为此，需要重新配置设备之间的逻辑连接。(例如：对于新设施映像的调试，虚拟操作员站为了将设施映像动态化首先与虚拟自动化系统交互，此外为了避免错误操作。在下一个步骤中，虚拟操作员站然后与真实的自动化交互，从而将设置用于调试的设施映像利用真实的过程数据来动态化。在最后一步中，调试的设施映像最终分配给一个真实的操作员站)。
能够有利地并行地通过多个项目工程师实现不同的自动化文档的调试，并且能够在不同和/或多次可用的虚拟的部件上实现。这也允许很大的可扩展性。
附图说明
下面参照示出本发明的实施例的附图更详细地描述和解释本发明及其设计方案。
图中示出：
图1示出了用于控制过程的自动化系统的功能图，该过程具有用于在运行并行的优化的实施方式中实现根据本发明的方法的隐含的软件架构
图2示出了用于控制过程的自动化系统的另一功能图，该过程具有用于在逐级的调试的实施方式中实现根据本发明的方法的隐含的软件架构。
具体实施方式
图1以简化示意图示出了自动化系统A的实例，借助于该自动化系统，技术设施(例如技术制造设施、生产设施或能源生成设施)中的大部分方法技术方面的过程被控制，调节和监控。自动化系统A具有大量与过程相关的部件(现场设备、组件、I/O系统、控制器)，它们在现场级别(即在过程中)实施预定的测量、控制和调节功能。现场设备经由通信系统(在此为Profibus TB)相互交换过程、功能和/或设备相关数据，并与较高的控制和管理级别交换过程、功能和/或设备相关数据。现场级别的通信系统与大量的自动化设备、如可编程逻辑控制器(SPS)连接。自动化设备AS1、AS2又经由另外的通信系统、设施总线AB与较高级别的计算机系统连接，该设施总线AB主要实施为工业以太网。在本实施例中，计算机系统包括操作和监视系统，其由多个操作员站服务器OS(缩写为OS服务器，OS1、OS2...)和至少一个客户端计算机构成。OS客户端OSC经由另一个总线系统TB与OS服务器交换信息和数据，另一个总线系统在此被称为终端总线TB。自动化系统还能够包括其他服务器。图1中所示的自动化系统构造为具有另一个部件，即工程规划工作站ES。工程规划工作站是为了数据传输而连接到通信系统AB和TB的计算机或服务器，也能够经由操作和监控系统的客户端访问工程规划工作站。如果需要，其他计算机或服务器S能够与通信系统AB和TB连接。
除了刚刚描述的自动化系统的硬件配置的部分之外，图1还以简化的形式示出了用于实现根据本发明的方法的软件架构的部分。
根据本发明，在工程服务器ES中构造为软件模块或软件组件的虚拟的部件示出上述真实的硬件配置。
图1示例性地示出了用于运行并行的优化的共存数字孪生的功能图。对于真实的设备(操作员站服务器OS1、OS2，自动化设备AS1、AS2...)，分别存在虚拟对应物，即虚拟的部件：VOS1、VOS2、VAS1、VAS2。真实的部件之间的逻辑连接通过粗黑线表示。虚拟的部件之间的逻辑链接用虚线表示。基于逻辑连接，客户端能够在真实设施与数字孪生之间灵活切换。真实的设施和数字孪生都通过集成的工程规划来配置和监控。通过设施模拟器SIMIT虚拟化现场级别。
通过应用本发明的措施，现在能够在工程规划中共存地规划虚拟自动化和操作员站服务器，从而能够在运行时在操作员站客户端中在真实与虚拟设施部分之间切换。例如，如果操作员想要优化调节器的设置，则操作员能够在将设置导入真实的设施部分之前，在虚拟的设施部分处运行并行地进行测试。
图2示例性地示出了用于逐级调试的共存数字孪生的功能图。在该实施例中，对于服务器S上的一些真实的部件(操作员站服务器OS1和自动化设备AS1)分别存在具有用于虚拟化现场级别的设施模拟器SIMIT的虚拟的对应物(VOS1和VAS1)。虚拟的部件VAS1、VOS1和SIMIT经由虚线所示的逻辑连接相互连接并且与客户端计算机连接。客户端能够在工程规划服务器ES中的数字(部分)孪生与真实的部件的工程规划之间灵活切换。客户端计算机对工程规划服务器的访问用粗黑线表示。例如，在工程规划期间，项目工程师能够在客户端观察(调试)，更正并重新加载在VAS1中执行的自动化程序。与之并行地，能够在VOS1中对设施映像进行可视化和测试。如果需要纠错，也能够在工程规划期间实施并重新加载设施映像。如果调试完成，能够(如前所述的那样)将来自虚拟的部件的自动化程序和设施映像分配给真实的设备并加载。真实的设施和数字(部分)孪生都由根据本发明的集成的工程规划来配置和监控。
Claims (11)
1.一种用于工程规划自动化系统(A)的方法，所述自动化系统用于控制在技术设施中的过程，
其中，所述自动化系统(A)包括多个用于实施显示功能、操作功能和自动化功能的硬件部件(OS1，OS2，AS1，AS2，...)，并且部件经由通信系统相互连接，其特征在于，
独立于所述设施的运行情况，并行于至少一个真实的所述硬件部件虚拟化地产生、实例化和逻辑连接的部件，
产生的虚拟的部件(VOS1，VOS2，VAS1，VAS2，.)被配置和优化，并且然后与所述真实的部件(OS1，OS2，AS1，AS2，...)并行地被加载到所述自动化系统(A)的服务器(ES，S)上，在所述服务器实施相应功能。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述虚拟的部件(VOS1，VOS2，VAS1，VAS2，...)被任意分布到所述自动化系统(A)的所述服务器上，并且所述分布能够灵活地配置。
3.根据权利要求1或2所述的方法，其特征在于，所述虚拟的部件(VOS1，VOS2，VAS1，VAS2，...)的数量能够自由选择。
4.根据权利要求1，2或3所述的方法，其特征在于，所述虚拟的部件(VOS1，VOS2，VAS1，VAS2，...)之间，以及所述虚拟的部件与真实的部件之间的逻辑连接能够灵活地配置。
5.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其特征在于，在所述工程规划期间能够在所述真实的部件与所述虚拟的部件之间切换，以进行更改。
6.根据权利要求5所述的方法，其特征在于，所述切换平稳地实现。
7.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其特征在于，在数据库中管理所述虚拟的部件(VOS1，VOS2，VAS1，VAS2，...)。
8.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其特征在于，将所述虚拟的部件(VOS1，VOS2，VAS1，VAS2，...)分配给技术层级。
9.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其特征在于，在所述虚拟的部件(VOS1，VOS2，VAS1，VAS2，...)并行于所述真实的部件(OS1，OS2，AS1，AS2，...)加载到所述自动化系统(A)的所述服务器上之前，将所述虚拟的部件分配给用于调试的自动化文档。
10.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其特征在于，不同的自动化文档的调试能够通过多个项目工程师并行地实现，并且能够在不同的和/或多次可用的虚拟的部件(VOS1，VOS2，VAS1，VAS2，...)上实现。
11.一种用于控制技术设施中的过程的自动化系统(A)，
其中，所述自动化系统(A)包括多个用于实施显示功能和操作功能和自动化功能的硬件部件(OS1，OS2，AS1，AS2，...)，并且部件(OS1，OS2，AS1，AS2，...)经由通信系统(TB，AB)相互连接，其特征在于，所述自动化系统(A)除了用于配置所述硬件部件(OS1，OS2，AS1，AS2，...)的工程规划服务器(ES)外还包括至少一个另外的服务器(S)，并且所述服务器被设计为能够实施根据权利要求1至10中任一项所述的方法。
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