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TECHNISCHES GEBIET
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Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Testen eines verteilten Systems mit mindestens einer ersten Vorrichtung und mindestens einer zweiten Vorrichtung, die an verschiedenen Orten positioniert sind.
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Die Erfindung betrifft ferner ein Testsystem zum Testen eines verteilten Systems mit mindestens einer ersten Vorrichtung und mindestens einer zweiten Vorrichtung, die an verschiedenen Orten positioniert sind.
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HINTERGRUND DER ERFINDUNG
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Komplexe Industrieprodukte und Anlagen werden häufig komponentenweise an verschiedenen Orten hergestellt und auf ihre korrekte Funktion überprüft. Beispielsweise betrifft dies moderne, größere Verkehrsflugzeuge, komplexe Industrieanlagen, Transportschiffe und dergleichen. Komplexe Industrieprodukte weisen dementsprechend eine Vielzahl an Komponenten auf, die im Betrieb miteinander interagieren. Durch das isolierte Testen der einzelnen Komponenten an unterschiedlichen Orten kann durch diese fehlende Interaktion nicht der reale Betrieb des Industrieprodukts nachgebildet werden.
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Geographisch verteilte Tests komplexer Systeme werden bislang nur für Anlagen der Telekommunikationstechnik eingesetzt. Dort ist die geographische Verteilung einzelner Komponenten die eigentliche Essenz der Systeme, die beispielsweise Kommunikationsknoten, Kommunikationszentralen, unterschiedliche Kommunikationsmedien usw. umfassen. Im Gegensatz hierzu existieren keine brauchbaren Verfahren, um komplexe Industrieanlagen mit hohem mechanischen Anteil örtlich verteilt zu testen. Die geringe zeitliche Zuverlässigkeit der für derartige Tests zur Verfügung stehenden üblichen Übertragungswege widerspricht den elementaren Anforderungen an Echtzeitsystemen und ist daher nur für extrem langsame Systeme und dementsprechend hohe Eigenzeiten mechanischer Komponenten denkbar.
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DE 10 2007 029 137 A1 und
WO 2009 000 822 A1 zeigen einen Testsystem-Verbund zum parallelen Testen mehrerer Systeme mit einem übergeordneten Netzwerk zum Datenaustausch zwischen einzelnen Testsystemen und einer Steuereinheit.
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ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG
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Es wäre demnach sehr vorteilhaft, über ein Verfahren zum Testen eines verteilten Systems zu verfügen, das die Möglichkeit bereitstellen könnte, geographisch verteilte Vorrichtungen derart zu testen, dass deren Interaktion erhalten bleibt, so dass ein reales Abbild eines fertigen Industrieprodukts oder dergleichen erhalten werden kann.
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Gemäß einem ersten Aspekt der Erfindung wird ein Verfahren zum Testen eines verteilten Systems mit einer ersten Vorrichtung an einem ersten Ort und einer zweiten Vorrichtung an einem zweiten Ort vorgeschlagen, bei dem erste Zustandsgrößen der ersten Vorrichtung erfasst werden, eine parallele Echtzeitsimulation der ersten Vorrichtung mit Hilfe einer ersten Recheneinheit am ersten Ort unter Einsatz von ersten Simulationsparametern und unter Generierung von ersten Simulationszustandsgrößen durchgeführt wird. Gleichzeitig wird die identische Echtzeitsimulation am zweiten Ort mit Hilfe einer zweiten Recheneinheit unter Einsatz der ersten Simulationsparameter durchgeführt. Am ersten Ort werden die ersten Zustandsgrößen mit den ersten Simulationszustandsgrößen verglichen. Sollte hierbei eine Abweichung festgestellt werden, werden die ersten Simulationsparameter geändert. Durch Übertragen der ersten Simulationsparameter von der ersten Recheneinheit an die zweite Recheneinheit liegen bei der zweiten Recheneinheit stets die aktuellen Simulationsparameter vor, die zu einem Echtzeitsimulationsmodell führen, das mit dem Test der ersten Vorrichtung im Wesentlichen synchron läuft. Durch Rückführung der ersten Simulationszustandsgrößen von der zweiten Recheneinheit an die zweite Vorrichtung wird die dortige Echtzeitsimulation der ersten Vorrichtung mit der zweiten Vorrichtung verkoppelt.
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Durch das erfindungsgemäße Verfahren kann gewährleistet werden, dass an einem entfernten Standort ein Simulationsmodell als Ersatz der vor Ort befindlichen und interagierenden Vorrichtung vorliegt. Es ist demnach nicht erforderlich, Parameter, die für die Interaktion zwischen zwei Vorrichtungen entscheidend sind, mit einer hohen Kommunikationsgeschwindigkeit bzw. Bandbreite zwischen zwei voneinander entfernten Standorten zu übertragen, sondern es sind lediglich Parameteränderungen, die sich auf Änderungen der jeweiligen Simulationsmodelle beziehen, zu übertragen. Die Qualität und Geschwindigkeit der Datenübertragung hat jedoch keinen Einfluss auf die Dynamik der Interaktion zwischen zwei Vorrichtungen, sondern die Übertragung der Simulationsparameter ist lediglich als Stütze für die Korrektheit des betreffenden Modells anzusehen.
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Das erfindungsgemäße Verfahren erlaubt demnach eine komponentenweise Untersuchung eines komplexen Systems, das aus mehreren örtlich verteilten Vorrichtungen besteht, ohne dass eine direkte Verbindung zwischen den Vorrichtungen als einzelnen Komponenten bestehen muss und ohne auf die Interaktionsdynamik verzichten zu müssen. Mit anderen Worten könnte demnach beim örtlichen Testen einer ersten Vorrichtung ein Teil der zweiten Vorrichtung in Form eines Ersatzsystems bereitgestellt werden, welches basierend auf dem Simulationsmodell der zweiten Vorrichtung bewegt wird, um die für eine Interaktion erforderliche Bewegung nachzubilden.
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Korrigierte Simulationsmodelle werden den jeweils anderen Standorten bevorzugt ausschließlich im Bedarfsfall oder periodisch übermittelt, was die erforderliche Verbindungsqualität und -geschwindigkeit noch weiter einschränkt, ohne die dynamische Qualität der Untersuchung einzuschränken.
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Ist die Interaktion zwischen den beiden voneinander entfernten Vorrichtungen zumindest teilweise mechanischer Natur, führt das erfindungsgemäße Verfahren gemäß einem weiteren Aspekt der Erfindung eine erste mechanische Nachführungseinheit an dem zweiten Ort in Abhängigkeit der ersten Simulationszustandsgrößen aus der zweiten Recheneinheit nach. Dies bedeutet, dass beispielsweise physikalische Stellgrößen, die beim Bewegen mechanischer Vorrichtungen auftreten, durch eine Echtzeitsimulation in der ersten Recheneinheit oder der zweiten Recheneinheit nachgebildet und anschließend in physikalische Größen gewandelt werden, die bei der Interaktion der beiden Vorrichtungen auftreten. Diese Wandlung könnte durch Ansteuerung von Aktuatoren durchgeführt werden, die bevorzugt eine geringe Eigenzeit aufweisen und deren eigenes dynamische Verhalten demnach bei dem Test des Gesamtsystems vernachlässigt werden können. Komplexere Aktuatoren oder mechanische Stellgrößen könnten mit Hilfe einer Modellfolgeregelung nachgebildet werden.
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Der Begriff ”Recheneinheit” soll in diesem Zusammenhang nicht als Beschränkung auf einen einzigen Rechner oder einen einzigen Prozessor eines Computers oder dergleichen bedeuten, sondern soll jede Art eines Geräts oder eines Geräteverbunds umfassen, das in der Lage ist, die erfindungsgemäßen Verfahrensschritte auszuführen.
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Gemäß einem weiteren Aspekt der Erfindung wird ein Testsystem vorgeschlagen, mit dem ein verteiltes System mit einer ersten Vorrichtung und einer zweiten Vorrichtung getestet werden können.
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KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
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Weitere Merkmale, Vorteile und Anwendungsmöglichkeiten der vorliegenden Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung der Ausführungsbeispiele und den Figuren. Dabei bilden alle beschriebenen und/oder bildlich dargestellten Merkmale für sich und in beliebiger Kombination den Gegenstand der Erfindung auch unabhängig von ihrer Zusammensetzung in den einzelnen Ansprüchen oder deren Rückbeziehungen. In den Figuren stehen weiterhin gleiche Bezugszeichen für gleiche oder ähnliche Objekte.
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1 zeigt eine schematische Ansicht des erfindungsgemäßen Verfahrens.
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2 zeigt eine schematische Ansicht eines erfindungsgemäßen Testsystems.
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DETAILLIERTE DARSTELLUNG EXEMPLARISCHER AUSFÜHRUNGSFORMEN
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In 1 wird in einer schematischen Ansicht das erfindungsgemäße Testsystem dargestellt, welches der Einfachheit halber lediglich eine erste Vorrichtung 2 und eine zweite Vorrichtung 4 aufweist, die an getrennten Orten angeordnet sind und in einem fertigen Industrieprodukt miteinander interagieren würden.
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Die erste Vorrichtung 2 ist mit einer ersten Steuereinheit 6 verbunden, die dazu eingerichtet ist, Testparameter an die erste Vorrichtung 2 zu übertragen, um so etwa bestimmte Betriebsbedingungen vorzugeben. Dies könnten beispielsweise Drehzahlen, Temperaturen, Frequenzen, Geschwindigkeiten oder dergleichen sein. Die erste Vorrichtung 2 ist ferner mit einer ersten Recheneinheit 8 verbunden, die dazu eingerichtet ist, eine Echtzeitsimulation der ersten Vorrichtung 2 durchzuführen. Unter diesem Begriff ist eine numerische Simulation zu verstehen, bei der sämtliche simulierten Abläufe in der gleichen Zeit stattfinden, wie in der realen Welt, so dass die sogenannte Modellzeit synchron zur Echtzeit ist.
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Derartige Echtzeitsimulationen können mit Hilfe verschiedenster Simulationsumgebungen durchgeführt werden, beispielsweise mit kommerziell verfügbarer Simulationssoftware mit blockbasiertem graphischen Interface oder auch Systeme, die ein echtzeitfähiges Betriebssystem aufweisen und Modelle in ausführbaren Binärcode kompiliert werden. Die Art der Durchführung ist für das erfindungsgemäße Verfahren und das erfindungsgemäße Testsystem nicht von Relevanz, so lange die Synchronität zwischen Modellzeit und der realen Zeit gewährleistet werden kann. Eine Grundvoraussetzung für das erfindungsgemäße Testsystem bzw. das erfindungsgemäße Testverfahren ist die Fähigkeit, Zustandsgrößen eines Simulationsmodells, im Folgenden auch ”Simulationszustandsgrößen” genannt, für eine Weiterverarbeitung erhalten zu können.
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Gemeinsam sind die erste Vorrichtung 2 und die erste Recheneinheit 8 mit einem Komparator 10 verbunden, der dazu eingerichtet ist, Zustandsgrößen der realen ersten Vorrichtung 2 mit Simulationszustandsgrößen des Simulationsmodells der ersten Vorrichtung 2 auf der ersten Recheneinheit 8 zu vergleichen und durch diesen Vergleich Abweichungen bestimmen zu können. Das erfindungsgemäße Testsystem ist in der Lage, aus diesen festgestellten Abweichungen das Simulationsmodell der ersten Vorrichtung 2 anzupassen, so dass diese festgestellten Abweichungen durch Verbesserung des Simulationsmodells eliminiert werden oder wenigstens innerhalb einer vorgegebenen Toleranz liegen.
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Diese Fähigkeit, Simulationsparameter eines Simulationsmodells in der ersten Recheneinheit 8 zu verändern, könnte entweder direkt in dem Komparator 10 vorhanden sein, allerdings alternativ oder zusätzlich auch in der ersten Steuereinheit 6. Es wird nicht detailliert auf die konkrete technische Durchführung der Anpassung von Simulationsparametern eingegangen, da dies einem Fachmann auf dem Gebiet der Regelungstechnik bekannt ist und ferner auch entscheidend von der Art der ersten Vorrichtung 2 abhängt, so dass nicht verallgemeinert auf entsprechende Anpassalgorithmen eingegangen werden kann.
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Die erste Vorrichtung 2 ist weiterhin mit einer dritten Recheneinheit 12 verbunden, auf der ein Simulationsmodell der zweiten Vorrichtung 4 durchgeführt wird. Das erfindungsgemäße Testsystem erlaubt damit, die erste Vorrichtung 2 so zu betreiben, als ob die zweite Vorrichtung 4 mit der ersten Vorrichtung 2 verbunden wäre. Das Simulationsmodell der zweiten Vorrichtung 4 auf der dritten Recheneinheit 12 ist vorliegend ein Platzhalter für die zweite Vorrichtung 4 und interagiert mit der ersten Vorrichtung 2. Die Interaktion kann dahingehend erfolgen, dass das Simulationsmodell auf der dritten Recheneinheit 12 in Echtzeit verschiedene Daten der ersten Vorrichtung 2 zur Verfügung stellt, die nicht auf einer direkt mit der ersten Vorrichtung 2 einwirkenden physikalischen Größe basiert. Beispielsweise könnten diese zur Verfügung gestellten Daten Messdaten sein, auf die die erste Vorrichtung 2 entsprechend reagiert. Bildet das Simulationsmodell der zweiten Vorrichtung 4 auf der dritten Recheneinheit 12 physikalische Größen nach, die unmittelbar an mechanische Elemente der ersten Vorrichtung 2 angreifen, beispielsweise Kräfte, Drehmomente oder Positionen, wäre es sinnvoll, diese physikalischen Größen in Abhängigkeit von Zustandsgrößen des Simulationsmodells der zweiten Vorrichtung 4 nachzubilden. Dies könnte durch eine erste Nachführungseinheit 14 durchgeführt werden, bei der beispielsweise in Daten vorliegende Positionen oder Kräfte mittels eines Hydraulikaktuators an mechanischen Elementen der ersten Vorrichtung 2 aufgebracht werden. Hierbei ist darauf zu achten, dass die erste Nachführungseinheit 14 eine möglichst zu vernachlässigende Eigenzeit aufweist, so dass die Dynamik des Simulationsmodells der zweiten Vorrichtung 4 realistisch bleibt.
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Die zweite Vorrichtung 4 ist, analog zu der ersten Vorrichtung 2 mit einer zweiten Recheneinheit 16 verbunden, auf der eine Echtzeitsimulation der zweiten Vorrichtung 4 durchgeführt wird. Ein Komparator 18 ist mit der zweiten Vorrichtung 4 und der zweiten Recheneinheit 16 verbunden, um die Simulationszustände des Simulationsmodells der zweiten Vorrichtung 4 mit den Zustandsgrößen der zweiten Vorrichtung 4 zu vergleichen. Werden Abweichungen festgestellt, werden die Simulationsparameter des Simulationsmodells der zweiten Vorrichtung 4 angepasst. Weiterhin ist die zweite Vorrichtung 4 mit einer vierten Recheneinheit 20 verbunden, auf der eine Echtzeitsimulation der ersten Vorrichtung 2 durchgeführt wird. Eine zweite Nachführungseinheit 26 ist dazu eingerichtet, aus der Simulation der ersten Vorrichtung 2 stammende Größen in physikalische Größen zu wandeln, die direkt mit mechanischen Elementen der zweiten Vorrichtung 4 gekoppelt werden.
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Eine zweite Steuereinheit 22 ist analog zu der ersten Steuereinheit 6 dazu eingerichtet, die zweite Vorrichtung 4 anzusteuern. Eine Anpassung der Simulationsparameter kann, analog zu der ersten Vorrichtung 2, durch den Komparator 18 oder durch die zweite Steuereinheit 22 durchgeführt werden.
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Die Besonderheit des erfindungsgemäßen Testsystems liegt darin, dass von der ersten Vorrichtung 2 zwei Echtzeitsimulationen durchgeführt werden, nämlich eine in der ersten Recheneinheit 8 und eine in der vierten Recheneinheit 20. Die in dem Simulationsmodell auf der ersten Recheneinheit 8 angepassten Simulationsparameter werden über eine Datenverbindungseinrichtung 24 an die vierte Recheneinheit 20 weitergegeben, so dass das dort befindliche Echtzeit-Simulationsmodell stets auf dem aktuellen Stand ist. Dies ist sinnvoll, denn bei numerischen Simulationen werden häufig Vereinfachungen getroffen, die eine nahezu identische dynamische Abbildung erlauben, jedoch bei einer deutlich einfacheren Algorithmusstruktur und einem deutlich verringerten Rechenbedarf. Erfahrungsgemäß sind theoretisch entwickelte Simulationsmodelle zwar sehr nahe an der Realität, doch es können stets Unstetigkeiten, geänderte Dynamiken oder generell unvollständig erfasste dynamische Eigenschaften in der realen Welt existieren, die bei der theoretischen Betrachtung nicht vollständig erfasst worden sind. Aus diesem Grunde ist das erfindungsgemäße Testsystem sehr vorteilhaft, da durch steten Vergleich mit einer real existierenden Vorrichtung das theoretisch ermittelte Simulationsmodell stets an die reale Welt zur deutlichen Steigerung der Genauigkeit angepasst werden kann. Dadurch existiert ein besonders genaues numerisches Ersatzmodell einer real existierenden Vorrichtung, das es erlaubt, eine real existierende Vorrichtung an anderen Orten zur Validierung der ordnungsgemäßen Funktion einer anderen Vorrichtung, die mit der simulierten Vorrichtung interagiert, einzusetzen. Die Datenübertragungseinrichtung 24 kann dadurch deutlich entlastet werden, denn es sind nur bedarfsweise geänderte Simulationsparameter zu übertragen, die weiterhin keinen Einfluss auf die momentane Dynamik des Simulationsmodells besitzen. Die Änderungen von Simulationsparametern müssen nicht beim laufenden Versuchsbetrieb durchgeführt werden, sondern können separat ermittelt und an den jeweils anderen Ort übertragen werden, wonach sich später eine Versuchsreihe anfügt.
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In 2 wird schließlich das erfindungsgemäße Verfahren in einer schematischen Blockdarstellung gezeigt, welches im Wesentlichen die nachfolgend aufgeführten Schritte ausführt. Bei der Untersuchung einer ersten Vorrichtung 2 werden erste Zustandsgrößen der ersten Vorrichtung 2 erfasst 28. Eine parallele Echtzeitsimulation der ersten Vorrichtung 2 wird mit Hilfe einer ersten Recheneinheit 8 am ersten Ort durchgeführt 30. Diese Schritte sind nicht als aufeinanderfolgend zu betrachten, sondern bevorzugt als parallel zueinander. Die Zustandsgrößen der ersten Vorrichtung 2 und der Simulation der ersten Vorrichtung 2 werden miteinander verglichen 32, bei Abweichungen werden Simulationsparameter verändert 34. Schließlich werden Simulationsparameter an eine vierte Recheneinheit 20 übertragen 36.
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Analog hierzu werden bei der Untersuchung einer zweiten Vorrichtung 4 zweite Zustandsgrößen der ersten Vorrichtung 2 erfasst 38. Eine parallele Echtzeitsimulation der zweiten Vorrichtung 2 am zweiten Ort wird mit Hilfe einer zweiten Recheneinheit 16 durchgeführt 40. Diese Schritte sind nicht als aufeinanderfolgend zu betrachten, sondern bevorzugt als parallel zueinander. Die Zustandsgrößen der zweiten Vorrichtung 4 und der Simulation der ersten Vorrichtung 4 werden miteinander verglichen 42, bei Abweichungen werden Simulationsparameter verändert 44. Schließlich werden Simulationsparameter an eine dritte Recheneinheit 12 übertragen 46.
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Einer Durchführung 48 einer Echtzeitsimulation der zweiten Vorrichtung auf der dritten Recheneinheit 12 schließt sich eine Rückkopplung 50 mit der ersten Vorrichtung 2 an. Ebenso folgt auf eine Durchführung 52 einer Echtzeitsimulation der ersten Vorrichtung 2 auf der vierten Recheneinheit 20 eine Rückkopplung 54 mit der zweiten Vorrichtung 4 an. Die Rückkopplung kann dabei das Weiterleiten von Daten an die erste oder zweite Vorrichtung 2 bzw. 4 umfassen oder das Wandeln in physikalische Größen durch Nachführen eines Aktuators oder dergleichen.
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Ergänzend sei darauf hingewiesen, dass „aufweisen” keine anderen Elemente oder Schritte ausschließt, und „ein” oder „eine” keine Vielzahl ausschließt. Ferner sei darauf hingewiesen, dass Merkmale, die mit Verweis auf eines der obigen Ausführungsbeispiele beschrieben worden sind, auch in Kombination mit anderen Merkmalen anderer oben beschriebener Ausführungsbeispiele verwendet werden können. Bezugszeichen in den Ansprüchen sind nicht als Einschränkung anzusehen.
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Bezugszeichenliste
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- 2
- erste Vorrichtung
- 4
- zweite Vorrichtung
- 6
- erste Steuereinheit
- 8
- erste Recheneinheit
- 10
- erster Komparator
- 12
- dritte Recheneinheit
- 14
- erste Nachführungseinheit
- 16
- zweite Recheneinheit
- 18
- zweiter Komparator
- 20
- vierte Recheneinheit
- 22
- zweite Steuereinheit
- 24
- Datenverbindungseinrichtung
- 26
- zweite Nachführungseinheit
- 28
- Erfassen
- 30
- Durchführen einer Echtzeitsimulation der ersten Vorrichtung
- 32
- Vergleichen
- 34
- Verändern von Simulationsparametern
- 36
- Übertragen von Simulationsparametern
- 38
- Erfassen
- 40
- Durchführen einer Echtzeitsimulation der zweiten Vorrichtung
- 42
- Vergleichen
- 44
- Verändern von Simulationsparametern
- 46
- Übertragen von Simulationsparametern
- 48
- Durchführen einer Echtzeitsimulation der zweiten Vorrichtung
- 50
- Rückkoppeln
- 52
- Durchführen einer Echtzeitsimulation der ersten Vorrichtung
- 54
- Rückkoppeln
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 102007029137 A1 [0005]
- WO 2009000822 A1 [0005]
