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Gebiet der
Erfindung
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Die
Erfindung betrifft Test- und Simulationssysteme.
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Hintergrund
der Erfindung
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Steuerungssysteme,
die PLCs (programmierbare Logiksteuerungen, programmable logic controllers)
und DCSs (Verteilte Steuerungssysteme, distributed control systems)
aufweisen, werden häufig
benutzt zum Steuern von Reale-Welt-Prozessen mittels Akzeptierens
von Eingaben, welche typischerweise von Sensoren wie beispielsweise,
u.a. solche zum Erfassen von Temperatur, Fluss, Pegel, Strahlung,
Licht, Bewegung und Druck und solche zum Erzeugen von Ausgaben,
welche zum Antreiben von Aktuatoren wie beispielsweise hydraulischen Komponenten,
Ventilen, Lampen und Motoren genutzt werden, stammen. Steuerungssysteme
können häufig derart
angesehen werden, dass sie eine Steuerungskomponente und eine Schnittstellenkomponente
aufweisen, wobei eine oder beide Komponenten sowohl Hardware- als
auch Software-Unterkomponenten
aufweisen. So kann ein auf einer PLC basierendes Gerät einen
digitalen PLC mit eingebetteter Software als Steuerungskomponente
(die „Steuerung") mit einer Schnittstellenkomponente
(die „I/O-Schnittstelle") benutzen, die (a)
Signale von Sensoren empfängt
und sie in eine für
die PLCs geeignete Form umwandelt und (b) Ausgaben der PLCs empfängt und
in für
die Aktuatoren geeignete Signale umwandelt. In solchen Systemen
sind die Steuerung und die I/O-Schnittstelle
häufig
mittels eines oder mehrerer Pfade (der „Steuerungs-I/O-Kommunikationskanal") miteinander gekoppelt,
um einen Austausch von Kommunikations- und Steuersignalen zwischen
Steuerung und I/O-Schnittstelle zu erlauben. Nachdem das Steuerungssystem
in seiner Betriebsumgebung aufgestellt ist, ist die I/O-Schnittstelle
in ähnlicher
Weise mittels einer oder mehrerer elektrischer Pfade (die „Feldverkabelung") mit den Komponenten,
von denen das Steuerungssystem seine Eingaben erhält, und
mit den Komponenten, an die das Steuerungssystem seine Ausgangssignale schickt,
gekoppelt, wobei die I/O-Schnittstelle mit einer Mehrzahl von Anschlüssen (die „Feld-I/O-Anschlüsse") versehen ist, die
es ermöglichen,
die I/O-Schnittstelle mit der Feldverkabelung zu koppeln. Viele
Steuerungssysteme enthalten außerdem
eine Mensch-Maschine-Schnittstellenkomponente
(HMI = human machine interface), welche Hardware und/oder Software
zum Erleichtern der Bediener-Interaktion mit dem Steuerungssystem
aufweist.
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Obwohl
Verfahren und Geräte
zum Testen von Steuerungssystemen bekannt sind, haben sie im Allgemeinen
individuelle Stärken
und Schwächen, deretwegen
sie sich für
einige Fälle
besser und für andere
schlechter eignen. Somit besteht ein fortwährender Bedarf an verbesserten
Verfahren und Geräten
zum Testen von Steuerungssystemen.
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US 4,782,292 offenbart ein
Bordsteuerungssystem eines Flugzeuges, welches während einer gewöhnlichen
Flugzeugoperation einen Aktuator ansteuert. Während dem Testen wird das Steuerungssystem
durch ein Testsystem ersetzt, welche dann den Aktuator ansteuert,
an Stelle des Steuerungssystems. Dieses Dokument offenbart das Steuerungssystem
durch ein Testsystem zu ersetzen, offenbart jedoch keine Verfahren
und Vorrichtungen zum Testen des Steuersystems.
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US 4,403,297 offenbart ein
automatisiertes Verfahren zum Durchführen von Tests am Schaltkreisanschluss
einer Anschlussschiene, welche zwischen miteinander verbundener
Kontrollrauminstrumentation und Feldausrüstung angeordnet ist. Dieses
Dokument offenbart die Anschlussschiene durch ein Testsystem zu
testen, offenbart jedoch keine Verfahren und Vorrichtungen zum Testen
eines Steuerungssystems.
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Zusammenfassung
der Erfindung
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Es
werden Verfahren und Geräte
zur Verfügung
gestellt, die es erlauben, Steuerungssysteme zu testen. Insbesondere
ist ein Testsystem mit einem Steuerungssystem in einer Weise gekoppelt,
die es dem Testsystem erlaubt, mit dem Steuerungssystem zu kommunizieren
und es zu betreiben, indem es über
den Steuerungs-I/O-Kommunikationskanal und über die Feld-I/O-Anschlüsse Signale
sendet und empfängt.
Im Wesentlichen dient das Testsystem zum Simulieren einer zu steuernden
Anlage und dazu, den internen Zustand der Steuerung des Steuerungssystems
und möglicherweise
die I/O-Schnittstelle des Steuerungssystems zu überwachen, zu validieren und/oder
zu verändern.
Die Anlagensimulation wird erreicht, indem die I/O-Geräte simuliert
werden, mit denen das Steuerungssystem (und somit die Anlagenprozesse)
gekoppelt ist, wenn es in seiner Betriebsumgebung installiert ist.
Zusätzlich
zur Simulation von I/O-Geräten
macht sich das Testsystem den Vorteil zu Nutze, dass viele häufig benutzte
Steuerungen und I/O-Schnittstellen
zur Kommunikation mit anderen Geräten fähig sind, wobei sie diese Kommunikationsfähigkeit
nutzen, um an die Steuerung(en) des Steuerungssystems und die I/O-Schnittstelle(n)
Anweisungen zu geben oder von ihnen Informationen zu erhalten.
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Es
ist beabsichtigt, dass die hier offenbarten Verfahren und Geräte einen
effektiven Ansatz bereitzustellen, um ein zu testendes Steuerungssystem
mit simulierten I/O-Geräten
zu koppeln und die simulierten I/O-Geräte zu steuern und zu überwachen,
um dadurch Eingaben für
das Steuerungssystem zu erzeugen, die Ausgaben des Steuerungssystems
aufzuzeichnen und die aufgezeichneten Ausgaben mit einem erwarteten
Wert zu vergleichen und das Ergebnis des Vergleichs zu Dokumentationszwecken aufzuzeichnen.
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Es
ist ferner beabsichtigt, dass die hier vorgestellten Verfahren und
Geräte
einen effektiven Ansatz bereitzustellen, PLCs/HMIs (Programmierbare Logiksteuerungen,
programmable logic controllers/Mensch-Maschine-Schnittstellen, human
machine interfaces) und DCSs (Verteilte Steuerungssysteme, distributed
control systems) vorzuführen
und zu testen, bevor sie zum Einsatz kommen.
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Es
ist ferner beabsichtigt, dass die hier offenbarten Verfahren und
Geräte
einen effektiven Mechanismus bereitstellen, um den Betrieb eines
Steuerungssystems zu validieren, sobald es in einer zu steuernden
Anlage installiert ist.
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Verschiedene
Aufgaben, Merkmale, Aspekte und Vorteile der Erfindung werden sich
deutlicher zeigen anhand der folgenden detaillierten Beschreibung der
bevorzugten Ausführungsformen
der Erfindung zusammen mit den beiliegenden Figuren, in denen gleiche
Komponenten durch gleiche Bezugszeichen repräsentiert werden.
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Kurzbeschreibung
der Figuren
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1 ist
eine schematische Ansicht eines Simulator-Wagens, der die Erfindung
verkörpert.
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2 ist
eine alternative schematische Ansicht des Simulator-Wagens aus 1.
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3 ist
eine schematische Ansicht eines Simulators, der mit einem Anlagensteuerungssystem gekoppelt
ist.
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4A ist
ein Diagramm eines bevorzugten Layouts für Komponenten auf einer ersten
Seite eines mobilen Simulator-Wagens.
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4B ist
ein Diagramm eines bevorzugten Layouts für Komponenten auf einer zweiten
Seite des Simulators aus 4A.
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5A ist
ein Verdrahtungsplan, der ein bevorzugtes Verfahren der Kopplung
der Komponenten des Simulators aus 4A darstellt.
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5B ist
ein Verdrahtungsplan, der ein bevorzugtes Verfahren der Kopplung
der Komponenten des Simulators aus 4B darstellt.
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6 ist
ein Diagramm eines bevorzugten Layouts für Komponenten in einem "Aktentaschen"-Simulator.
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7 zeigt
eine Bildschirmoberflächen-Aufnahme
einer Simulator-HMI-Bildschirmoberfläche, in der ein Bediener aufgefordert
wird auszuwählen,
welcher Testabschnitt ausgeführt
werden soll.
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8 zeigt
eine Bildschirmoberflächen-Aufnahme
einer Simulator-HMI-Bildschirmoberfläche, in der ein Bediener aufgefordert
wird auszuwählen,
ob ein besonderer Test oder ein vollständiges Testverfahren durchgeführt werden
soll.
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9 zeigt
eine Bildschirmoberflächen-Aufnahme
einer Simulator-HMI-Bildschirmoberfläche, in der ein Bediener aufgefordert
wird, einen ersten Test auszuführen.
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10 zeigt
eine Bildschirmoberflächen-Aufnahme
einer Simulator-HMI-Bildschirmoberfläche, in der der Bediener aufgefordert
wird, die Ergebnisse des Tests aus 9 einzugeben.
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11 zeigt
eine Bildschirmoberflächen-Aufnahme
einer Simulator-HMI-Bildschirmoberfläche, in der ein Bediener aufgefordert
wird, einen zweiten Test auszuführen.
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12 ist
ein Diagramm einer Simulator-HMI-Datenbanktabelle.
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13 ist
ein Diagramm einer Simulator-HMI-Datenbanktabelle.
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14 ist
ein Diagramm einer Simulator-HMI-Datenbanktabelle.
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15 ist
ein Diagramm einer Simulator-HMI-Datenbanktabelle.
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16 ist
ein Diagramm einer Simulator-HMI-Datenbanktabelle.
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17 ist
ein Diagramm einer Simulator-HMI-Datenbanktabelle.
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18 ist
ein Diagramm einer Simulator-HMI-Datenbanktabelle.
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19 ist
ein Diagramm eines ersten Verfahrens, das die Erfindung verkörpert.
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20 ist
ein Diagramm eines zweiten Verfahrens, das die Erfindung verkörpert.
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21 ist
ein Diagramm eines dritten Verfahrens, das die Erfindung verkörpert.
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22 ist
ein Diagramm eines vierten Verfahren, das die Erfindung verkörpert.
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23 ist
ein Diagramm eines fünften
Verfahrens, das die Erfindung verkörpert.
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24 ist
ein Diagramm eines sechsten Verfahrens, das die Erfindung verkörpert.
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25 ist
ein Diagramm eines siebten Verfahrens, das die Erfindung verkörpert.
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Detaillierte
Beschreibung
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Bezugnehmend
auf die 1 bis 3 ist ein
Simulator-Wagen-Testsystem
("SIMCart") 10 an ein
zu testendes Steuerungssystem ("Ziel-CS") 20 gekoppelt.
Das SIMCart 10 weist auf ein rollbares Gehäuse 110,
I/O-Simulatormodule 120, ein/einen HMI/Konfigurator 130,
ein Druckausgabegerät 140, Kabelbäume 150 und
Verbindungen 161 und 163 eines Kommunikationskanals 160.
Das Ziel-CS 20 weist auf ein Gehäuse 210, I/O-Schnittstellen 220, Feld-I/O-Anschlüsse 225,
ein HMI 230, Verbindungen 261 und 263 des
Kommunikationskanals 160 und einen PLC 270. Das
SIMCart 10 benutzt die Kabelbäume 150 zum Aussenden
und Empfangen von I/O-Signalen an die und von den I/O-Schnittstellen 220,
um Eingabegeräte/Sensoren 50 und
Ausgabegeräte/Aktuatoren 40 zu
simulieren, die über
die Feldverkabelung 41 und 51 mit dem Ziel-CS 20 verbunden
wären,
wenn das Ziel-CS 20 installiert ist. Das SIMCart 10 nutzt
den Kommunikationskanal 160, um Register- und Statusinformationen
von den I/O-Schnittstellen 220, das HMI 130 und
der PLC 270 zu erhalten. Indem das SIMCart 10 den
internen Zustand von und den Datenfluss zwischen den I/O-Schnittstellen 220,
der HMI 130 und dem PLC 270 überwacht, ist es besser in
der Lage, jegliche Probleme, die im Ziel-CS 20 während des
Tests in einem bestimmten Subsystem des Ziel-CS 20 auftreten
können,
zu isolieren. Die Art, in der das SIMCart 10 mit dem Ziel-CS 20 gekoppelt
ist, ermöglicht
es dem SIMCart 10 außerdem,
mehrere I/O-Kanäle und/oder
Subsysteme des Ziel-CS 20 gleichzeitig zu testen.
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Das
SIMCart wird automatisch initialisiert, indem der Kommunikationskanal 160 zum
Abfragen des Ziel-CS 20 benutzt wird, um Informationen
zu erhalten, die es dem SIMCart 10 erlauben, eine automatische
Initialisierung und ein Abbilden seiner Eingaben und Ausgaben auf
diejenigen des Ziel-CS 20 durchzuführen. Indem das SIMCart 10 eine
solche automatische Initialisierung durchführt, inkorporiert es eine Wissensdatenbank,
die Eigenschaften bekannter Hard- und Softwarekomponenten von Steuerungssystemen
aufweist. Es ist beabsichtigt, dass die Wissensdatenbank um mathematische
Modelle von Standardkomponenten wie Sensoren und Aktuatoren erweitert
werden kann, um dem SIMCart 10 eine bessere Simulation
solcher Komponenten zu gestatten und um eine automatische Generierung
von Tests für Zielsysteme
zu ermöglichen,
die mit solchen Komponenten gekoppelt sind. Die 12 bis 18 zeigen einige
der Felder und Datensätze,
die bei der Wartung einer solchen Wissensdatenbank benutzt werden
können.
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Das
SIMCart 10 ist als nützlich
anzusehen bei der Entwicklung und bei nicht-vor-Ort Tests des Ziel-CS 20,
indem die mittels des Ziel-CS 20 zu steuernde Anlage simuliert
wird. Falls die Kapazität
eines einzelnen SIMCarts 10 nicht ausreicht, eine vollständige Anlage
zu simulieren, können
mehrere SIMCarts 10 benutzt werden, um die Simulation zu
ermöglichen.
Eine solche Kombination von SIMCarts 10 kann mehrere HMI-Einheiten 130 benutzen
oder sich ein einzelnes HMI 130 teilen. Das SIMCart 10 ist ebenfalls
als nützlich
anzusehen für
eine nicht-vor-Ort Schulung von Bedienungspersonal des Ziel-CS 20,
wenn das SIMCart 10 zusammen mit dem Ziel-CS 20 benutzt
wird. Eine solche nicht-vor-Ort Anwendung des SIMCarts 10 ist
vorgesehen, um u.a. ein komplettes Testen aller Eingaben und resultierender
Ausgaben aller Ziel-CS 20 vor der Inbetriebnahme am Einsatzort
bereitzustellen.
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Ein
vor-Ort Testen kann ebenso vom Einsatz des SIMCart 10 profitieren,
sowohl von seiner Gesamtheit als auch nur von seinem Konfigurator/HMI-Anteil.
Wenn das Ziel-CS 20 in seiner Betriebsumgebung installiert
ist, kann der Konfigurator 130 als Test- und Validierungswerkzeug
benutzt werden. Der Konfigurator 130 kann einem Feld-Tester Schritt
für Schritt
Anweisungen zur Verfügung
stellen, die, wenn sie befolgt werden, zu einer gewünschten Testebene
des Ziel-CS 20 führen.
Wird auf diese Weise vorgegangen, steuert der Konfigurator 130 im Wesentlichen
den Testvorgang über
den Feld-Tester. Mittels Anforderung einer Antwort von einem Feld-Tester über den
Abschluss verschiedener Teile des Tests kann ein Testbericht, der
die ausgeführten Testschritte
und die Reaktionen des Testers enthält, erstellt werden, um sicher
zu stellen, dass eine gewünschte
Testebene abgeschlossen worden ist. Ein solches gesteuertes Testen
stellt somit ein Verfahren zum reproduzierbaren, validierten und
verifizierten Testen zur Verfügung.
Der Konfigurator 130 kann auch dazu benutzt werden, die
Ergebnisse eines solchen Tests aufzuzeichnen und vor Ort Berichte
zu erstellen, welche eine Antwort in Bezug auf den gegenwärtigen Zustand
des Ziel-CS 20 und der Feldverkabelung, an die das Ziel-CS
gekoppelt ist, liefert.
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Wenn
das ganze SIMCart 10 vor Ort benutzt wird, kann das SIMCart 10 mit
ausgewählten
Eingaben und Ausgaben des Ziel-CS 20 vertauscht werden,
um es so zu ermöglichen,
dass aktuelle Eingaben das Ziel-CS 20 dazu veranlassen,
simulierte Aktuator-Komponenten
zu steuern, oder dass simulierte Eingaben dazu benutzt werden, das
Ziel-CS 20 zur aktuellen Steuerung von Aktuator-Komponenten
zu veranlassen, oder dass aktuelle und simulierte Eingaben und Ausgaben
wunschgemäß gemischt
und zugeordnet werden. Wenn während
des Tests der Konfigurator 130 noch an den Rest des SIMCarts 10 angeschlossen
ist und wenn während
des Tests das SIMCart 10 mit dem Ziel-CS 20 gekoppelt
ist, kann der Konfigurator 130 den Testprozess sowohl über direkte
Interaktion mit dem Ziel-CS 20 als auch, wie bereits erörtert, über einen
Test-Bediener steuern.
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Das
rollbare Gehäuse 110 des
SIMCarts 10 wird vorzugsweise derart bemessen und dimensioniert,
dass die I/O-Simulator-Module 120 und
jegliche notwendige Hilfssysteme in einer Weise untergebracht werden
können,
dass die Benutzung des SIMCarts 10 und seine Zusammenschaltung
mit dem Ziel-CS 20 vereinfacht wird.
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Die
I/O-Simulator-Module 120 können PLCs oder SmartTM-I/O-Systeme
aufweisen. Der SIMCart 10 aus 1 benutzt
verschiedene Sixnet-I/O-verwandte Produkte enthaltend: ST-DI-024-16H, ST-PS-024-02N,
ST-DO-DC2-16H, ST-AI-20M-16H, ST-AO-20M-08F, ST-DI-120-08U, ST-DO-AC1-08U und
ST-GT-ETH-24P. Einzelheiten über
die bevorzugten Sixnet-Produkte sind der Provisional-Anmeldung als
Teil ihrer Offenbarung beigefügt,
wobei die Provisional-Anmeldung bereits oben durch Bezugnahme hierin
aufgenommen wurde. 4A und 4B zeigen
eine Darstellung eines bevorzugten Layouts für Komponenten im SIMCart 10 und 5A und 5B zeigen
die zugehörigen
Verdrahtungspläne,
in denen ein bevorzugtes Verfahren zur Verbindung der Kompottenten
des SIMCarts 10 dargestellt wird.
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Ein
alternatives Ausführungsbeispiel
nutzt eine kleinere Zahl von Komponenten, so dass ein SIMCart-artiger
Simulator in eine tragbare Kiste eingebaut werden kann. 6 zeigt
eine Darstellung eines bevorzugten Layouts von Komponenten in einer solchen
Ausführungsform.
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Als
HMI/Konfigurator 130 des SIMCarts 10 ist ein Allzweck-Computer wie z.B.
ein Laptop-PC ("PC") vorgesehen. Tragbarkeit
ist besonders wünschenswert,
da sie den Transport der HMI 130 vor Ort erleichtert, um
vor-Ort Tests an einem installierten Ziel-CS 20 zu unterstützen. Das
HMI 130 ist als mit Software ausgestattet anzusehen, die
es erlaubt, Alarmantworten (Totbereiche eingeschlossen), Schleifen
und die Logik zu testen und HMI-Ausgaben, Trendgraphen, Alarme,
Berichte, Systemanforderungen etc. zu protokollieren. Testergebnisse
werden in Form von mit textlichen Datums- und Uhrzeitangaben versehenen
Daten, Graphen und Testerantworten auf Eingabeaufforderungen gespeichert.
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In
einer bevorzugten Ausführungsform
enthält
das HMI 130 ein Multitasking-Betriebssystem, vorzugsweise
Windows NTTM, das dazu in der Lage ist,
eine graphische Benutzerschnittstelle ("GUI" = graphical
user interface) und ein relationales Datenbanksystem zu unterstützen (vorzugsweise
Microsoft AccessTM), sowie Software zum
Steuern von I/O-Simulator-Modulen 120 und zum Testen des
Ziel-CS 20. Das HMI 130 sollte vorzugsweise ferner
eine Ethernet-Netzwerkkarte für
die Verbindung zum Kommunikationskanal 160 aufweisen, der
vorzugsweise ein TCP/IP-basiertes Ethernet Netzwerk ist. Ferner
ist bevorzugt, dass das HMI 130 des SIMCarts 10 vom
Rest des SIMCarts 10 entfernt werden kann, damit es unabhängig als
ein Werkzeug für
die vor-Ort-Verifikation benutzt werden kann.
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Die/der
HMI/Konfigurator 130 dient zum Herunterladen von relationalen
Testdatenbanken, Initiieren von Tests, Erfassen von Antworten und
Kommentaren des Testers und zum Erstellen von Berichten. Die Testdatenbanken
weisen Testfälle,
erwartete Ergebnisse für
einen Testvergleich und die Generierung von Ausnahmefällen auf.
Eine Gesamt-Testplaner-Datenbank organisiert die Abfolge der Testereignisse.
Da die Testdatenbanken von Anforderungsdatenbanken abgeleitet sind,
sind für
den Systemeigentümer
eine Raster-Schritt-Struktur-Steuerung („lock-step
configuration control")
und ein nachvollziehbares Anforderungstesten gewährleistet.
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Es
ist bevorzugt, dass der Konfigurator 130 eine an ein GUI
gekoppelte relationale Datenbank benutzt, um eine Aufnahme und eine
Speicherung von Testanforderungen auf einer hohen Ebene zu ermöglichen
und um Werkzeuge zur Verfügung
zu stellen, mit denen aus solchen Anforderungen hoher Ebene Sets
von Testanweisungen niedrigerer Ebene in einer Weise abgeleitet
werden können,
die einen Zusammenhang zwischen Testsets auf niedrigerer Ebene und
Anforderungen auf höherer
Ebene pflegt. Indem ein solcher Zusammenhang gepflegt wird, können Übergänge zu Anforderungen
hoher Ebene schnell und manchmal automatisch in die Testsets niedrigerer
Ebene inkorporiert werden. Solche Testsets auf niedrigerer Ebene
werden dazu benutzt werden, sowohl automatisches als auch interaktives
Testen des Ziel-CS 20 zu betreiben und zu steuern. Indem
ein Zusammenhang zwischen Anforderungen für hohe und für niedrige
Ebenen gepflegt wird, können
Berichte erzeugt werden, die die Testschritte zeigen, die benutzt
wurden, um zu verifizieren, dass die Anforderungen auf hoher Ebene
durch das Durchführen
der Testsets auf niedriger Ebene erfüllt werden.
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Es
ist vorgesehen, dass die relationale Datenbank, die der Konfigurator 130 benutzt,
um Testanforderungen und -anweisungen zu speichern, sorgen soll
für die
Angabe von: (1) Anfangswerten, eines Betriebswertebereichs, eines
Totbereiches und eines Wertebereichs für jede zu testende I/O-Komponente, um
das Testen von Alarmen zu ermöglichen,
wenn Werte innerhalb und außerhalb
solcher Bereiche liegen; (2) standardisierten Anfragen, um den Bediener zu
veranlassen, verschiedene Aufgaben auszuführen oder Antworten zur Verfügung zu
steilen; (3) Sätze
von Anweisungen und Anfragen, um den HMI-Anteil des Ziel-CS 20 interaktiv
(oder möglicherweise automatisch)
zu testen; (4) Parametern für
das PID-Regelschleifentesten; (5) Parametern für das Testen eines Indikators;
(6) allgemeinen Anforderungen an das Zielsystem sowie zum Unterstützen einer jeden
anderen Tabelle, die für
ein einwandfreies Funktionieren des SIMCarts 10 erforderlich
ist. 7 zeigt die Bildschirmoberflächen-Aufnahme einer Simulator-HMI-Bildschirmoberfläche, in
der ein Bediener aufgefordert wird, einen auszuführenden Testteil auszuwählen. 8 zeigt
die Bildschirmoberflächen-Aufnahme
einer Simulator-HMI-Bildschirmoberfläche, in
der ein Bediener aufgefordert wird, einen besonderen Test oder ein
vollständiges
Testverfahren zum Ausführen
auszuwählen. 9 zeigt
die Bildschirmoberflächen-Aufnahme einer Simulator-HMI-Bildschirmoberfläche, in
der ein Bediener aufgefordert wird, einen Test durchzuführen. 10 zeigt
die Bildschirmoberflächen-Aufnahme
einer Simulator-HMI-Bildschirmoberfläche, in
der der Bediener aufgefordert wird, die Ergebnisse des Tests aus 9 einzugeben. 11 zeigt
die Bildschirmoberflächen-Aufnahme
einer Simulator-HMI-Bildschirmoberfläche, in
der ein Bediener aufgefordert wird, einen anderen Test durchzuführen.
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Ein
Druckausgabegerät 140 ist
vorzugsweise ein Drucker, der zum Anschluss an das HMI 130 geeignet
ist und zum Ausdrucken von Tests, Testergebnissen und Audit-Informationen
sowie anderer bereits erwähnter
Berichte dient.
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Die
Kabelbäume 150 können beinahe
jede Form annehmen, so lange sie I/O-Signale fehlerfrei zwischen
dem SIMCart 10 und dem Ziel-CS 20 übermitteln.
Es ist jedoch bevorzugt, dass die Kabelbäume 150 derart ausgewählt werden,
dass die Kopplung des Ziel-CS an das SIMCart 10 und die
Simulation der Feldverkabelung, an die das Ziel-CS 20 in der
Betriebsumgebung gekoppelt werden wird, erleichtert wird. Es ist
vorgesehen, dass mehrere verschiedene Kabelbäume in dem SIMCart 10 vorgesehen
werden, wobei jeder Kabelbaum darauf abgestimmt ist, den Anschluss
des SIMCarts 10 an einen bestimmten Typ von Ziel-CS 20 zu
ermöglichen.
Das Vorsehen solcher vorkonfigurierter Kabelbäume ist als Erleichterung des
Gebrauchs des SIMCarts 10 anzusehen, um eine Vielfalt von
Standardsteuerungssystemen wie beispielsweise Allen-Bradley PLC-5
Steuerungen oder Siemens S7 Steuerungen zu testen.
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Der
Kommunikationskanal 160 ist vorzugsweise ein TCP/IP-basiertes Ethernet-Netzwerk
und ist vorzugsweise aufgeteilt zwischen dem SIMCart 10 und
dem Ziel-CS 20, um eine flexible Interaktion zwischen dem
HMI 130, den I/O-Simulatormodulen 120, dem HMI 230,
dem PLC 270 und den I/O-Schnittstellen 220 zu
ermöglichen.
Es ist jedoch vorgesehen, dass auch andere Kommunikationsverfahren
wie beispielsweise RS-232-Schnittstellen, Token-Ring-Netzwerke,
FDDI-Netzwerke, proprietäre
Steuerungsbusse etc. benutzt werden können, um einen Kommunikationskanal
zwischen einem oder mehreren Komponenten des SIMCarts 10 und
des Ziel-CS 20 bereitzustellen.
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Wie
bereits erörtert,
ist der HMI/Konfigurator-Anteil 130 des SIMCarts 10 sowohl
bei der Bedienung des SIMCarts 10 als auch als abtrennbares Vaildierungs-
und/oder Schulungswerkzeug nützlich. Es
ist vorgesehen, dass die/der HMI/Konfigurator 130 Software
und eine oder mehr Datenbanken aufweist, die zum Ausführen der
Schulungs- und/oder Validierungsfunktionen notwendig sind. Solche
Funktionen können
u.a. einschließen
die Fähigkeit,
den Zugang zu kontrollieren, indem von einem Operator ein Login
verlangt wird, die Fähigkeit,
eine bestimmte Funktion zu simulieren und zu prüfen, ob das Ziel-CS auf den
gesamten Eingabe-Wertebereich eines Sensors reagieren kann, die
Fähigkeit,
den Bediener aufzufordern, Operationen auszuführen, indem er das HMI des
Ziel-CS benutzt, und das automatische Ausführen von Tests an dem Ziel-CS,
wenn solche Tests keine manuellen Operationen eines Bedieners erfordern.
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Somit
kann eine bestimmte Ausführungsform
des Konfigurators die Fähigkeit
haben, mehrere Tests zu speichern und durchzuführen, wobei jeder Test einen
oder mehrere Schritte aufweist. Während ein bestimmter Test oder
eine Folge von Testschritten abläuft
und immer wenn ein manuelles Eingreifen des Bedieners erforderlich
ist, wird der Konfigurator den Bediener auffordern, eine Funktion
an dem Ziel-CS durchzuführen,
aber er wird automatisch (d.h. ohne Eingreifen des Bedieners) alle
Testschritte durchführen,
die kein solches manuelles Eingreifen erfordern. Um eine Pumpe zu
testen, kann der Konfigurator daher einen Bediener auffordern, die
Pumpe anzuschalten, dann, nachdem der Bediener dem Konfigurator
mitgeteilt hat, dass er die Pumpe angeschaltet hat, wird der Konfigurator
zum Verifizieren des einwandfreien Betriebs der Pumpe eine Frage wie "Ging die Kontrollleuchte
der Pumpe an?" stellen, die
der Bediener entweder bestätigen
oder verneinen kann. Verneint er, wird der Konfigurator den Bediener auffordern,
einen Kommentar einzugeben, wie z.B. welche Reaktion an dem Ziel-CS
aktuell zu beobachten war. Während
eines anderen Schrittes kann der Konfigurator simulierte Ereignisse
erzeugen, auf die das Ziel-CS automatisierte Antworten aufweist,
die vom Konfigurator registriert werden können, und in diesem Fall wird
der Simulator einfach die Ereignisse simulieren und die Reaktion
des Ziel-CS überwachen.
Wenn zum Beispiel ein Spannungswert einen Schwellwert überschreitet,
kann das Ziel-CS aufgefordert werden, die Energiequelle abzukoppeln.
Ein solcher Test würde
vom Simulator an geeigneter Stelle einer Testabfolge ausgeführt, indem
er ein Überspannungssignal
an das Ziel-CS schickt und die Reaktion des Ziel-CS überwacht,
um zu sehen, ob ein Signal zum Abkoppeln der Energiequelle gesendet wird.
Testergebnisse, entweder Antworten des Bedieners oder automatisch überwachte Ereignisse/Werte,
werden auch in einer oder mehr Datenbanken gespeichert, so dass
ein Ausnahmebericht erzeugt werden kann, der aktuelle Antworten
des Ziel-CS mit erwarteten Ergebnissen vergleicht.
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Es
ist vorgesehen, dass der Konfigurator eine skalierbare Bibliothek
von Testdatenbanken und Testfunktionen aufweist, wobei die Testdatenbanken zum
Ausführen
der Testschritte benutzt werden. Indem Datenbanktabellen benutzt
werden, um Tests und Testparameter zu speichern, wird es dem Tester ermöglicht,
neue Tests und/oder Testszenarien hinzuzufügen und auch Parameter existierender
Tests zu modifizieren. Solche skalierbaren Bibliotheken und dynamischen
Updates, d.h. Aktualisierungen, machen das System äußerst robust
und flexibel.
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Die 12 bis 18 zeigen
einige der Felder und Daten, die enthalten sein können. Die
Tabelle aus 12 ist eine "Alarm"-Tabelle und enthält, möglicherweise u.a., die Felder
TagName, Initial, LL_Limit, L_Limit, H_Limit, HH_Limit und Totbereich. Die
Tabelle aus 13 ist eine "Alarm G"-Tabelle und enthält, möglicherweise u.a., die Felder
Alm_Ind, QNum, Typ und Frage. Die Tabelle aus 14 ist eine "Indikator"-Tabelle und enthält, möglicherweise u.a., die Felder
ID, TagName, Beschreibung, EUNull, EUMax und EEinheit. Die Tabelle
aus 15 ist eine "PID
Loop"-Tabelle und
enthält,
möglicherweise
u.a., die Felder PID Nummer, Loop_Beschr, Prozess_TagName, Min_EU,
Max_EU und EU_Name_SetzePunkt_TagName. Die Tabelle aus 16 ist
eine "Sektions-IQ"-Tabelle und enthält, möglicherweise
u.a., die Felder ID, SektionsNum, SektionsSchritt und Anweisung.
Die Tabelle aus 17 ist eine "Sektionsliste"-Tabelle und enthält, möglicherweise u.a., die Felder
NUM und Name. Die Tabelle aus 18 ist
eine "SysReqs"-Tabelle und enthält, möglicherweise
u.a., die Felder ID, Sektion, Erfordernis und Frage.
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Das
SIMCart 10 ist als besonders gut geeignet anzusehen für eine Anzahl
von Anwendungen, wenn es zu einer Betriebsanlage gebracht wird und an
Stelle der ganzen oder eines Teils der Vor-Ort-Feld-Verkabelung
angeschlossen wird, aufweisend, aber nicht notwendigerweise beschränkt auf:
(1) Testen des Verhaltens einer existierenden Logik auf neue Szenarien;
(2) Testen einer neuen Logik für
Abläufe;
(3) Schulen von Prozessbedienern vor einer Betriebskampagne, um
a) die Bedienungsbereitschaft zu erreichen und zu validieren, b)
Gebiete mit Schulungsdefizit zu identifizieren und c) die Bedienungsbereitschaft
als Gesamtteam zu gewährleisten;
(4) Schulen von Prozessbedienern an der Betriebsanlage, indem das
SIMCart 10 an Stelle der aktuellen Sensoren und Aktuatoren
der Anlage angeschlossen wird; (5) Vor-Ort-Problemlösen bei
der Verkabelung und anderen vor-Ort bezogenen Problemen.
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Erste Beispielanwendung
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Eine
Beispielanwendung des SIMCarts 10 ist sein Einsatz zur
Revalidierung eines PLC-Programms, das benutzt wird, ein Medikament
herzustellen, wobei der PLC dies mittels Steuerns des Gewichts der
Inhaltsstoffe, der Erwärmung,
der Kühlung,
der Tankfüllstandsteuerung,
der Pumpensteuerung und anderer Teile des Herstellungsprozesses tut.
Dieses Beispiel bezieht sich auf das Ziel-CS 20 derart,
als wenn es das zu revalidierende System wäre. Revalidierung des PLC-Programms
des Ziel-CS 20 bringt es als erstes mit sich, dass das
SIMCart 10 benutzt wird, um nicht-vor-Ort Tests des Ziel-CS 20 durchzuführen und
dass dann das/der HMI/Konfigurator vom Rest des SIMCarts 10 getrennt
wird und in das Vor-Ort-Feld des Ziel-CS 20 gebracht wird,
wenn das Ziel-CS 20 an der Produktionsanlage für die Medikamente
installiert ist.
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Während des
nicht-vor-Ort/Labor-Testens werden die I/O-Simulationsmodule 120 benutzt,
um jedem der PLC-I/O-Kanäle über die
Feld-I/O-Anschlüsse 225 eine
Eingabe zur Verfügung
zu stellen. Die automatischen Initialisierungsroutinen des SIMCarts
erzeugen eine Abbildung zwischen dem Ziel-PLC und den SIMCart-I/O-Kanälen. Ein
Tester würde
sich am SIMCart-Konfigurator-Computer/HMI 130 einloggen
(wenn von den Bedienern verlangt wird, sich einzuloggen, erleichtert
dies zukünftige
Audits). Nach dem Einloggen werden Testdatenbanken aus einer Anforderungsdatenbank
heruntergeladen, die am Beginn des Projekts für das Ziel-CS 20 eingerichtet
wurde. Die Testdatenbanken werden dann benutzt, um alle Funktionen
des PLC, des HMI und des Netzwerks zu testen, inklusive Alarmen,
Schleifen und Feldverkabelung, um den in den Testdatenbanken enthaltenen
Testanforderungen zu genügen. Dieses
Testen wird über
eine Reihe von automatischen Tests bewerkstelligt, sowie über Tests,
die den Bediener auffordern, bestimmte Aktionen auszuführen und
nach dem Ausführen
dieser Aktionen dem HMI Antworten/Eingaben zur Verfügung zu
stellen. Das Testen von Alarmen weist auf das Testen von Totbereichen
und entsprechenden niedrig-niedrig, niedrig, hoch und hoch-hoch
Alarmbereichen sowie andere Typen von Differenzwerten. Alle Daten
können
elektronisch mit Datum und Uhrzeit sowie mit anderen benötigten Auditinformationen
gespeichert werden.
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Wenn
das nicht-vor-Ort/Labor-Testen abgeschlossen ist, wird der/das SIMCart-Konfigurator/HMI 130 von
dem SIMCart und dem Ziel-CS 20 abgetrennt und vor Ort gebracht,
um vor Ort zum Testen des Ziel-CS 20 eingesetzt zu werden,
wenn es in der Produktionsanlage für Medikamente installiert ist. Vor
Ort versorgt der SIMCart-Konfigurator einen Feld-Tester mit einer
Reihe von Tests, die mit Feld-I/O- und Kabelverbindungen in Zusammenhang stehen.
Für einige
Tests wird der Feld-Tester vom SIMCart-Konfigurator aufgefordert,
möglicherweise über ein mobiles
Telefon einen Techniker zu beauftragen, Signale in das System einzugeben,
die über
die Feldverkabelung zu dem Ziel-CS 20 geleitet werden. Der
SIMCart-Konfigurator 130 fordert den Feld-Tester dann dazu
auf, Antworten auf gestellte Fragen einzugeben, die sich auf das
Rückmelde-HMI 230 des
Ziel-CS 20 beziehen und dem Tester als Antwort auf die
Eingaben des Technikers zur Verfügung
stehen. Alle Testfragen und Ergebnisse werden gespeichert, um das
Erstellen eines Berichtes über
die Testergebnisse zu ermöglichen.
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Zweite Beispielanwendung
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Wenn
das Ziel-CS 20 in der Produktionsanlage für Medikamente
installiert ist, kann das SIMCart 10 regelmäßig zum
Schulen der Prozessbediener benutzt werden. Diese Schulung kann
vor Ort stattfinden, wobei das Ziel-CS 20 HMI mittels einfachen Trennens
des Ziel-CS 20 von den Sensoren und Aktuatoren der Anlage
benutzt wird, möglicherweise mittels
Trennens der Feldverkabelung und Verbindens des SIMCarts 10 mit
dem Ziel-CS 20 an Stelle von Sensoren und Aktuatoren. Wenn
das Ziel-CS 20 mit simulierten I/Os an Stelle von richtigen
Sensoren und Aktuatoren betrieben wird, können die Bediener mit dem Ziel-CS 20 frei
interagieren, ohne irgendwelche Folgen für die Anlage befürchten zu
müssen. Wenn
die Testverfahren zum Validieren in einer solchen Weise benutzt
werden, kann das Ziel-CS 20 bei der Schulung von Bedienern
benutzt werden oder andernfalls kann das SIMCart 20 spezielle
Software und/oder Daten für
die Schulung von Bedienern aufweisen. Solche Software und/oder Daten
können Multimedia-Präsentationen
als Schulungsvideos aufweisen. Das SIMCart 20 kann auch
teilweise oder ganz unabhängig
vom Bediener arbeiten, um Ereignisse und/oder Bedienerantworten
auf die simulierten Ereignisse zu simulieren und/oder um die Qualität der Antworten
der Bediener zu protokollieren, ohne dass der Bediener während der
Schulung mit dem SIMCart 20 interagieren müsste.
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Hiermit
sind spezifische Ausführungsbeispiele
und Anwendungen von Geräten
und Verfahren zum Testen von Anlagensteuerungssystemen offenbart
worden. Es sollte jedoch für
Fachkundige offensichtlich sein, dass außer den bereits beschriebenen Modifikationen
(einschließlich
der Verfahren, die in den 19 bis 26 dargestellt
sind) viele weitere möglich
sind, ohne dass dadurch vom hier beschriebenen erfinderischen Konzept
abgegangen würde.
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Zudem
sollten bei der Interpretation sowohl der Beschreibung als auch
der Ansprüche
alle Begriffe in der weitest möglichen
Art ausgelegt werden, die mit dem Kontext vereinbar ist. Insbesondere
sollten die Begriffe "weist
auf" und "aufweisend" so verstanden werden,
dass sie sich in einer nicht-ausschließlichen Weise auf Elemente,
Komponenten oder Vorgehensweisen beziehen, dabei erkennen lassend,
dass die aufgeführten
Elemente, Komponenten und Vorgehensweisen vorhanden sein können oder
benutzt werden können
oder mit anderen Elementen, Komponenten oder Vorgehensweisen kombiniert
werden können,
die nicht ausdrücklich
aufgeführt
werden.