DE102009055810A1

DE102009055810A1 - Method for simulating and automating complex operation guiding process in laboratory, involves implementing software-based infrastructure simulation, and realizing bidirectional data transmission between guiding system and simulation

Info

Publication number: DE102009055810A1
Application number: DE200910055810
Authority: DE
Inventors: Dirk Univ.-Prof. Dr.-Ing. Westermann; Michael Dipl.-Ing. Kratz
Original assignee: Technische Universitaet Ilmenau
Current assignee: Tu Ilmenau Service De GmbH
Priority date: 2009-11-13
Filing date: 2009-11-13
Publication date: 2011-05-19

Abstract

The method involves controlling a complex operation guiding process by a technical guiding system, and selecting the suitable technical guiding system for the guiding process. A software-based infrastructure simulation is implemented, and a bidirectional data transmission is realized between the guiding system and the infrastructure simulation according to a IEC60870protocol and a IEC61850protocol. A real time module is implemented for adjusting the infrastructure simulation and a feedback signal of a simulation result.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur Simulation und Automatisierung eines komplexen, mit einem proprietären oder kommerziell verfügbaren Leittechniksystem steuer- und regulierbaren Betriebsführungsprozesses im Labormaßstab mittels softwarebasierten Lösungen und Standardkomponenten zum Testen und Entwickeln des Betriebsführungsprozesses und zur leittechnischen Automatisierung, zum Auffinden von Schwachstellen. und zur Leistungssteigerung leittechnischer Anwendungen im Labor bereits in der Prototypphase.The present invention relates to a method for the simulation and automation of a complex, with a proprietary or commercially available control system controllable and controllable operation control process on a laboratory scale by means of software-based solutions and standard components for testing and developing the operation management process and process control automation, to find vulnerabilities. and to increase the performance of process control applications in the laboratory already in the prototype phase.

Betriebsführung und Automatisierung komplexer Infrastruktursysteme (z. B. für elektrische Energie, Gas oder Wasser) sind Kernelemente einer zuverlässigen Versorgung mit gesellschaftlich und wirtschaftlich notwendigen Gütern und Waren. Infrastruktursysteme sind hoch komplexe Systeme mit großer geographischer Ausdehnung, die immer stärker mit Informations- und Kommunikationstechnik zur verbesserten Überwachung, Steuerung und Regelung ausgerüstet werden, mit dem Ziel, das angebotene Produkt (z. B. elektrische Energie, Gas, Wasser) bei minimalen Versorgungsausfallzeiten und hoher Qualität kontinuierlich anbieten zu können. Die gewonnen Prozessinformationen werden zentral an ein Leitsystem gesandt, das als Steuerungs- und Regelungssystem dient. Je nach Infrastruktur bestehen unterschiedliche Anforderungen und Bedienphilosophien. Genannte Infrastruktursysteme sind nicht in beliebiger Komplexität und Größe als naturgetreues Modell für eine realechtzeitfähige Simulationen abbildbar.Operation management and automation of complex infrastructure systems (eg for electrical energy, gas or water) are core elements of a reliable supply of socially and economically necessary goods and goods. Infrastructure systems are highly complex systems of large geographical extent, increasingly equipped with information and communication technology for improved monitoring, control and regulation, with the aim of the product offered (eg electrical energy, gas, water) with minimal supply downtime and high quality continuously. The obtained process information is sent centrally to a control system, which serves as a control and regulation system. Depending on the infrastructure, there are different requirements and operating philosophies. Such infrastructure systems can not be modeled in any complexity and size as a lifelike model for a real-time simulations.

Jedoch besteht die Anforderung, mit Hilfe von Simulationen ein möglichst reales Umfeld zu schaffen, um Prozessbediener trainieren und neue Funktionen und Werkzeuge zur Prozessführung entwickeln und/oder testen zu können. Nachteile kommerzieller Simulationsumgebungen für Infrastruktursysteme nachdem Stand der Technik sind fehlende standardisierte Kommunikationsschnittstellen bzw. mangelnde Flexibilität als auch Freiheit in Programmierung und Szenariengestaltung. Die Kombination aus Leittechnik und Simulationsumgebung gestaltet sich bisher als nicht interoperabel.However, there is a need to create the most realistic possible environment with the help of simulations in order to train process operators and to develop and / or test new functions and tools for process control. Disadvantages of commercial simulation environments for state-of-the-art infrastructure systems are lack of standardized communication interfaces or lack of flexibility as well as freedom in programming and scenario design. The combination of control technology and simulation environment has so far proved to be non-interoperable.

Verfügbare Leittechniksysteme sind mit standardisierten Kommunikationsschnittstellen ausgerüstet. Dabei unterstützen diese Systeme Industriestandards für die Abarbeitung von Protokollen (Z. B. IEC60870 , IEC61850 , DNP, Modbus usw.). Ein zu führender Prozess wird auf den Systemen parametriert, so dass das fertige System als Mensch-Maschine-Schnittstelle agiert und dem Bedienführer als Werkzeug dient. Sowohl Test als auch Training am fertigen System lassen sich nur unter Nutzung aller Komponenten, also auch des zu bedienenden Prozesses, durchführen. Daraus resultiert eine ablehnende Haltung gegenüber Tests oder Ausreizen der Möglichkeiten, da das Vertrauen in ein System nur durch Erfahrungen gewonnen wird. Neue Funktionalitäten der Leittechnik werden entweder sehr vorsichtig oder gar nicht genutzt.Available control systems are equipped with standardized communication interfaces. These systems support industry standards for the processing of protocols (eg IEC60870 . 61850 , DNP, Modbus, etc.). A process to be performed is parameterized on the systems, so that the finished system acts as a human-machine interface and serves the operator as a tool. Both testing and training on the finished system can be carried out using only all components, including the process to be operated. This results in a negative attitude towards tests or opportunities, as trust in a system can only be gained through experience. New functionalities of the control technology are either used very carefully or not at all.

Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es deshalb, die Nachteile aus dem Stand der Technik zu überwinden und ein Verfahren bereitzustellen, mit dem ein Betriebsführungsprozess (Infrastruktursystem) in Realechtzeit simuliert werden kann, wobei eine verfügbare Leittechnik installiert und die Kommunikation zwischen Simulation und Leittechnik auf Basis von standardisierten Industrieprotokollen realisiert wird und beide Komponenten interagieren können – die Simulation passt sich den gewünschten Bedienfolgen durch die Leittechnik an und kann Szenarien bereitstellen, die Sondersituationen oder typische Ereignisse im Infrastruktursystem abbilden. Speziell die Mensch-Maschine-Schnittstelle nach dem Stand der Technik erzeugt ein vertrautes Umfeld.The object of the present invention is therefore to overcome the disadvantages of the prior art and to provide a method with which an operation management process (infrastructure system) can be simulated in real time, with an available control technology installed and the communication between simulation and control technology based on The simulation adapts to the desired operating sequences by the control technology and can provide scenarios that depict special situations or typical events in the infrastructure system. Specifically, the human-machine interface of the prior art creates a familiar environment.

Erfindungsgemäß gelingt die Lösung dieser Aufgabe mit den Merkmalen des ersten Patentanspruches. Bevorzugte Ausführungsformen des erfindungsgemäßen Verfahrens sind in den Unteransprüchen angegeben.According to the invention, the solution of this problem succeeds with the features of the first claim. Preferred embodiments of the method according to the invention are specified in the subclaims.

Die Erfindung wird im Folgenden anhand von Zeichnungen näher erläutert. Es zeigen:The invention will be explained in more detail below with reference to drawings. Show it:

1 – prinzipielle Darstellung des erfindungsgemäßen Verfahrens 1 - Principle representation of the method according to the invention

2 – beispielhafte Softwarearchitektur für die Implementierung des Simulators 2 Exemplary software architecture for the implementation of the simulator

Mit der vorliegenden Erfindung wird ein Verfahren zum Aufbau eines Simulators zur Simulation des Betriebsführungsprozesses und Automatisierung großer Infrastruktursysteme im Labormaßstab mittels softwarebasierter Lösungen mit Hilfe verfügbarer Leittechnik und Standardkomponenten vorgestellt. Nachdem für den jeweiligen modellierten Betriebsführungsprozess (Infrastrukturprozess) ein geeignetes Leittechniksystem ausgewählt wurde, wird die Mensch-Maschine-Schnittstelle im Leittechniksystem modelliert. Nachfolgend wird ein geeignetes Kommunikationsprotokoll für die bidirektionale Datenübertragung zwischen Leittechniksystem und Infrastruktursimulation ausgewählt und implementiert. Außerdem können zu simulierende Szenarien und ein Kommunikationsnetzwerk, das mit einem Kommunikationsnetzwerksimulator modelliert wurde, definiert werden. Schließlich erfolgen die Implementierung der realechtzeitfähigen Infrastruktursimulation und die Integration des Kommunikationsprotokolls, so dass aktuelle Systemzustände mit Hilfe des Protokolls an die Leittechnik gemeldet bzw. auf Größen der Simulation Einfluss genommen werden kann.The present invention proposes a method for constructing a simulator for simulating the operation management process and automation of large-scale infrastructure systems on a laboratory scale by means of software-based solutions with the aid of available control technology and standard components. Once a suitable control system has been selected for the respective modeled operational management process (infrastructure process), the man-machine interface is modeled in the control system. Subsequently, a suitable communication protocol for bidirectional data transmission between the control system and the infrastructure simulation is selected and implemented. In addition, scenarios to be simulated and a communication network modeled with a communications network simulator can be defined. Finally, the implementation of the real-time capable infrastructure simulation and the integration of the communication protocol are carried out, so that current system states can be determined with the help of the Log can be reported to the control system or influenced by sizes of the simulation.

Das erfindungsgemäße Verfahren ist in 1 prinzipiell dargestellt. Die implementierte Softwarearchitektur nach diesem Verfahren ist in 2 gezeigt.The inventive method is in 1 shown in principle. The implemented software architecture according to this method is in 2 shown.

Der wesentliche Vorteil des erfindungsgemäßen Verfahrens besteht darin, dass mit Hilfe der Integration einer bidirektionalen Kommunikationsverbindung basierend auf standardisierten Industrieprotokollen eine geschlossene Simulation aufgebaut werden kann. Die Notwendigkeit einer realen Prozessankopplung für große Infrastruktursysteme ist damit obsolet. Im Labormaßstab ist es möglich große Systeme zu simulieren, die Simulationsergebnisse als real wirkende Daten der Leittechnik zur Verfügung zu stellen, die integrierten Arbeitsabläufe und Algorithmen der Leittechnik ausführen zu lassen und über eine Rückkopplung Einfluss auf den simulierten Prozess zu nehmen. Durch Verwendung standardisierter Industrieprotokolle ist es möglich, den Kommunikationspfad mit Hilfe eines Kommunikationsnetzwerksimulators nachzubilden, so dass Kennwerte unterschiedlicher Kommunikationstechnologien verwandt werden können, um den Einfluss dieser auf die Betriebsführung des Infrastruktursystems untersuchen zu können. Des Weiteren können mit nach diesem Verfahren erstellten Systemen Funktionen bereitgestellt werden, die spezielle Szenarien für Trainings oder Testzwecke bereitstellen und den Prozess als ganzes aufzeichnen können.The essential advantage of the method according to the invention is that a closed simulation can be set up with the aid of the integration of a bidirectional communication connection based on standardized industrial protocols. The necessity of a real process connection for large infrastructure systems is thus obsolete. On a laboratory scale, it is possible to simulate large systems, to make the simulation results available as real-time data of the control technology, to have the integrated work processes and algorithms of the control technology carried out and to influence the simulated process via feedback. By using standardized industry protocols, it is possible to model the communication path using a communication network simulator so that characteristics of different communication technologies can be used to investigate their influence on the operation of the infrastructure system. Furthermore, systems created by this method can provide functions that can provide specific scenarios for training or testing and record the process as a whole.

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG QUOTES INCLUDE IN THE DESCRIPTION

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Zitierte Nicht-PatentliteraturCited non-patent literature

IEC60870 [0004]
IEC61850 [0004]

Claims

Method for simulating and automating a complex operational management process that can be controlled and regulated with a control system, characterized in that a suitable control system is selected for the complex operation management process and a software-based infrastructure simulation is implemented and bidirectional data transmission between. Using a communication connection based on standardized industrial protocols the control system and the infrastructure simulation is realized.

A method according to claim 1, characterized in that in addition a real-time module for adapting the infrastructure simulation and feedback of new simulation results is implemented.

Method according to one of claims 1 or 2, characterized in that in addition a scenario module for implementing various system events within the infrastructure simulation is implemented.

Method according to one of claims 1 to 3, characterized in that in addition a training module for generating special operational management process situations and recording the resulting reactions using the control technology is implemented.

Method according to one of claims 1 to 4, characterized in that in addition a communication network simulator for investigating the influence of various communication technologies is integrated into the operation management process.