JP2007536659A - 自動化システムのシミュレーションのための方法及び装置 - Google Patents

Abstract

本発明は自動化システムのシミュレーションのための方法及び装置（１０）に関する。著しく異なる計算速度で動作するシミュレーション構成要素が全シミュレーションに結合され得るように自動化システムのシミュレーションを可能にするため、外部タイミングソースを用いてクロック可能な制御構成要素（１１）及び外部タイミングソースを用いてクロック可能な少なくとも１つのシミュレーション構成要素（１２、１３、１４）による方法が提案され、その際制御構成要素（１１）及び少なくとも１つのシミュレーション構成要素（１２、１３、１４）に対し制御構成要素に依存しないタイミングコーディネータ（１７）により調整されたクロックシステムが準備される。

Description

本発明は、自動化システムのシミュレーションのための方法及び装置に関する。

自動化システムのシミュレーションのために、制御構成要素が例えば駆動シミュレーション又は運動学シミュレーションの１つ又は複数のシミュレーション構成要素と結合される。その際制御構成要素と例えば計算機システム上で処理される種々のシミュレーション構成要素とは、互いに依存することなくそれぞれ固有のクロックシステムによって走行する。その際最小のクロック周波数は常に制御構成要素によってあらかじめ与えられる。何故なら制御構成要素のクロック周波数は影響を受け得ないからである。

しかしながら、駆動シミュレーション又は運動学シミュレーションのような複雑なシミュレーションは、制御構成要素のクロックタイミングで計算されるためにはしばしばゆっくりすぎる。従来技術に従えば、シミュレーション構成要素のクロックタイミングは制御構成要素によってあらかじめ与えられているから、シミュレーション構成要素はそれらが制御構成要素のクロックで動作するように加速されなければならない。そのため必要なハードウエア必要条件が作り出され、シミュレーション構成要素の実行のためのできるだけ速い計算機が使用されるか又は特殊なシミュレーションハードウエアが使用されるようにしなければならない。他の可能性は、存在するシミュレーションハードウエア上でシミュレーションが急速に十分実行され得る限りシミュレーションの分析度を下げることにある。このことは、特定のシミュレーションが全く実行できないかないしは役に立たない結果をもってしか実行できない、又は過度に高い費用でもってしか実行できないという結果を伴う。

本発明の課題は、著しく異なる計算速度で動作するシミュレーション構成要素が全シミュレーションに結合され得るように自動化システムのシミュレーションを可能にすることにある。

この課題は請求項１による方法によって、また請求項５による装置によって、さらに請求項６によるコンピュータプログラムによって解決される。

それに基づけば、自動化システムは制御構成要素及び少なくとも１つのシミュレーション構成要素を有し、その際制御構成要素並びに少なくとも１つのシミュレーション構成要素は外部のタイミングソースを用いてクロックされ得る。本発明に従えば、制御構成要素に依存しないタイミングコーディネータが、全システム構成要素に対する調整されたクロックシステムを準備するために用いられる。

本発明の中心思想は、クロックタイミングのあらかじめ基準として与えられるものを制御構成要素から切り離し、制御構成要素に依存せず外部クロックシステムを構築するタイミングコーディネータを設けることである。本発明は、一方では制御構成要素が外部からクロックされ得るように形成されることに基づくものであり、他方では種々のシステム構成要素を共通のクロックインタフェースを介して同期化するため外部タイミングコーディネータがこの能力を用いることに基づくものである。

その際、制御構成要素が実際の制御ハードウエアとして形成されているか、又は計算機上のソフトウエアエミュレーションによって代替されているかは問題ではない。

本発明は、例えば、シーメンス社の製品であるSIMOTION、SINAMICS、SINUMERIK又はSIMATIC S7のような自動化制御機構及び駆動機構の実時間シミュレーションのために使用することができる。

本発明の有利な実施形態は従属請求項に記載されている。

本発明の一実施形態においては、タイミングコーディネータは固定したタイミングパターンで動作する。これによって、制御構成要素の速度を下げ、シミュレーション構成要素の速度に合わせることが特に可能である。すべてのシステム構成要素が同じ速度で駆動されると、例えば駆動シミュレーション又は運動学シミュレーションのようなゆっくりとしたシミュレーション構成要素も制御構成要素と結合可能である。そのような固定したタイミングパターンにおいては、言い換えればタイミングは調整されて、ゆっくりとしたシミュレーション構成要素もすべてのシミュレーションステップをこのパターンで実行可能なほどにクロックサイクルが大きい。この本発明の実施形態は特に簡単に実現され監視される。

この実施形態の比較的わずかな可能出力を改善するため、本発明の別の実施形態に従えば、タイミングコーディネータは各タイミングを時間可変に調整することが行われる。この場合タイミングコーディネータはすぐ次のクロックサイクルを固定されたパターンでではなく、システム構成要素の少なくとも１つの状態に依存して初期化する。すべてのシミュレーション構成要素が実際のタイミングを終了したとき、すぐ次のクロックサイクルの初期化がそれぞれ行われると有利である。それによって、存在する計算性能が各クロックサイクルにおいて最適に利用される。個々の特に複雑なシミュレーションステップにおいて、高いデテール深度を達成することができる。

システムクロックのみならず、システム構成要素間のデータ交換をも調整される２相のタイミングコーディネータが特に有利である。これによって、処理順序又はシステム構成要素間のデータ引渡しの際に生じ得る従来技術において知られた一致性問題が解決される。

以下に本発明を図面に示す実施例に基づいて詳細に説明する。

図１は従来技術による自動化システムのシミュレーションの概略図を示し、個々のシステム構成要素はネットワーク１を介して互いに結合されている。制御構成要素２としてここではプログラム記憶可能な制御部（SPS）の形の実際の制御ハードウエアが用いられる。シミュレーション構成要素として、駆動シミュレーション３、運動学シミュレーション４及びプロセスシミュレーション５が設けられている。各システム構成要素２、３、４、５は外部のクロック発生器６、７、８、９を有し、その結果個々のシステム構成要素２、３、４、５は互いに依存することなくそれぞれ固有のクロックシステムで進行する。

図２は本発明による自動化システムのシミュレーションのための装置１０を示す。この装置は制御構成要素として、ソフトウエアベースの、計算機上で進行するSPSの制御エミュレーション１１及びソフトウエアベースの、個別計算機上で進行する複数のシミュレーション構成要素、即ち駆動シミュレーション１２、運動学シミュレーション１３及びプロセスシミュレーション１４を含む。ソフトウエアベースの制御エミュレーションの代わりに、外部同期化を支援する特殊のファームウエアを有する制御器ハードウエアを使用することもできる。その際全システム構成要素１１、１２、１３、１４はネットワーク１５を介して互いに結合されている。

各システム構成要素１１、１２、１３、１４はインタフェース１６を有し、このインタフェースを介して各構成要素１１、１２、１３、１４のシステムクロックは外部のタイミングコーディネータ１７により制御可能である。インタフェース１６はクロック/確認応答モジュールの様式に従って形成されている。言い換えれば、クロック機能（Clock）のほかに確認機能（Acknowledge）も設けられており、外部タイミングコーディネータ１７はシステム構成要素１１、１２、１３、１４の各クロックサイクルに応じてクロックサイクルの終了についての確認を得る。この時変システムの代わりに固定したタイミングパターンが使用されると、確認信号の使用は不必要である。その場合にはインタフェースはこの機能なしに形成することができる。

ソフトウエアとして計算機上に作り上げられている外部タイミングコーディネータ１７は、信号源１８及び信号受信器１９の機能を含む。その際システムクロックの調整は以下のように進行する。即ち、タイミングコーディネータ１７の信号源１８から、対応するクロック信号２０が制御エミュレーション１１のクロックインタフェース１６に送られる。タイミング実行後、確認インタフェース１６からタイミングコーディネータ１７の信号受信器１９への制御エミュレーション１１の確認２１が行われる。引続きタイミングコーディネータ１７の信号源１８から駆動シミュレーション１２のクロックインタフェース１６へのクロック信号２０の伝達、及びタイミングの処理に続いて駆動シミュレーション１２のクロックインタフェース１６からタイミングコーディネータ１７の信号受信器１９へ戻る相応する確認２１が行われる。相応して、運動学シミュレーション１３及びプロセスシミュレーション１４における調整が行われる。

そのような自動化シミュレーションは、システム構成要素１１、１２、１３、１４が１つのネットワーク１５内において分散されているのではなく単一のシミュレーション計算機２２上で進行する場合には特に簡単に操作される。そのような本発明の実施形態が図３に示されている。

クロックのみならず個々のシステム構成要素１１、１２、１３、１４間のデータ交換も調整されなければならない場合には、各システム構成要素１１、１２、１３、１４のクロック/確認インタフェース１６が負荷入力部２３だけ付加される（図４参照）。タイミングコーディネータ１７は２相法で動作する。その際第１の相においては全システム構成要素１１、１２、１３、１４がタイミングされる。この際各システム構成要素１１、１２、１３、１４に対しあらかじめ定められた状態ベクトルが変化し、一方各出力ベクトルは一定に保たれる（クロック/確認インタフェース）。第２の相においては、個々のシステム構成要素１１、１２、１３、１４の状態ベクトルは一定に保たれ、一方出力ベクトルは状態ベクトルの伝達関数に従ってアプデートされる（負荷インタフェース）。

その際システムクロックの調整は、個々のシステム構成要素１１、１２、１３、１４の情報伝達出力部２４に１つのクロック内では常に一定の出力値が存在するように行われる。言い換えれば、１つのシステム構成要素１１、１２、１３、１４の出力値が計算時間の間は変化しないことが保証される。何故なら、さもなければ残りのシステム構成要素１１、１２、１３、１４が誤りのある入力値を処理することになるであろうからである。例えば制御エミュレーション１１が駆動シミュレーション１２に情報伝達接続２５を介して駆動電流を高める指示を渡すと、このことはシミュレートされる駆動部において例えば駆動モータの特定の回転速度変化を引き起こし、この変化は再び駆動シミュレーション１２から制御エミュレーション１１へ戻って知らせられなければならないが、その際制御エミュレーション１１はこの応答から駆動シミュレーション１２への伝送のための新たな電流値を確定する。異なるシステム構成要素１１、１２、１３、１４が異なるクロックで動作する場合には、個々のシステム構成要素１１、１２、１３、１４の情報伝達出力部２４に、例えば駆動シミュレーション１２の出力部に１つのクロック内では常に安定した出力値が存在することが保証されなければならない。このことは特に、この出力値が制御エミュレーション１１によってのみならず運動学シミュレーション１３等によっても利用されることに関して重要である。システム時点ｔ(0)から出発すると、まず各システム構成要素１１、１２、１３、１４がこの時点ｔ(0)に対する各固有の状態を算出することを試みる。しかしながらそのためにはシステム構成要素１１、１２、１３、１４は時点ｔ(0)に対する他のシステム構成要素１１、１２、１３、１４の情報が必要である。今例えばまず駆動シミュレーション１２による算出が行われると、このシミュレーションはその時点ｔ(0)における状態をベースに時点ｔ(1)における状態を算出する。次いで運動学シミュレーション１３が駆動シミュレーション１２のデータを必要とする場合には、運動学シミュレーション１３は時点ｔ(1)に対するデータを既に得ていないことが保証されていなければならない。何故なら、前もってステップｔ(0)〜ｔ(1)の算出が行われなければならないからである。言い換えれば、運動学シミュレーション１３に対し、駆動シミュレーション１２の時点ｔ(0)のデータがなお利用し得ることが保証されていなければならない。

別な表現をすれば、各システム構成要素１１、１２、１３、１４及び各時点ｔに対して内部状態ベクトルと外部出力ベクトルとを区別する。その際これらのベクトルの各々はデータセットの方式として形成され、データセットは例えば瞬時電流値、瞬時出力、又は瞬時回転速度等を表わす。状態ベクトルはその際、システム構成要素１１、１２、１３、１４内でのみ見得るように形成され、一方出力ベクトルは他のシステム構成要素１１、１２、１３、１４との情報伝達のための情報を準備する。

状態ベクトルと出力ベクトルとによるそのような形態が前もって考慮されないとすると、自動化システムのシミュレーションは個々のシステム構成要素１１、１２、１３、１４内の処理順序に依存することになる。そうであるから、その際出力ベクトルを変えることなく、内部で既にそれぞれ次の状態ベクトルを算出することが可能である。従って内部処理の順序はもはや問題にならない。データ交換に対してはもっぱら出力ベクトルが重要であるから、処理の順序は他の視点に従って最適化することができる。

タイミングコーディネータは、この機能を実行するため別の信号源２６を有し、この信号源から相応する制御信号２７がシステム構成要素１１、１２、１３、１４の負荷インタフェース２３に送られる。

従来技術による非同期のシミュレーションクロックによる自動化システム・シミュレーションの説明図である。 ネットワークにおける調整されたシミュレーションの説明図である。 個別計算機上の調整されたシミュレーションの説明図である。 ２相のタイミング調整による個別計算機上の調整されたシミュレーションの説明図である。

符号の説明

１ ネットワーク
２ 制御構成要素
３ 駆動シミュレーション（シミュレーション構成要素）
４ 運動学シミュレーション（シミュレーション構成要素）
５ プロセスシミュレーション（シミュレーション構成要素）
６、７、８、９ クロック発生器
１０ シミュレーション装置
１１ 制御エミュレーション（制御構成要素）
１２ 駆動シミュレーション（シミュレーション構成要素）
１３ 運動学シミュレーション（シミュレーション構成要素）
１４ プロセスシミュレーション（シミュレーション構成要素）
１５ ネットワーク
１６ インタフェース
１７ タイミングコーディネータ
１８ 信号源
１９ 信号受信器
２０ クロック信号
２１ 確認
２２ シミュレーション計算機
２３ 負荷入力部
２４ 情報伝達出力部
２５ 情報伝達接続
２６ 信号源

Claims (6)

1. 外部タイミングソースを用いてクロック可能な制御構成要素（１１）及び外部タイミングソースを用いてクロック可能な少なくとも１つのシミュレーション構成要素（１２、１３、１４）により自動化システムをシミュレーションするための方法において、制御構成要素（１１）及び少なくとも１つのシミュレーション構成要素（１２、１３、１４）に対し、制御構成要素に依存しないタイミングコーディネータ（１７）によって調整されたクロックシステムが準備されることを特徴とする自動化システムのシミュレーション方法。
2. タイミングコーディネータ（１７）が固定したタイミングパターンで動作することを特徴とする請求項１記載の方法。
3. タイミングコーディネータ（１７）が各タイミングをシステム構成要素（１２、１３、１４）の少なくとも１つの状態に依存して調節することを特徴とする請求項１記載の方法。
4. タイミングコーディネータ（１７）による２相のタイミング調整が行われ、その際個々のシステム構成要素（１２、１３、１４）間のデータ交換も同時に調整されることを特徴とする請求項１〜３のいずれか１つに記載の方法。
5. 自動化システムのシミュレーションのための装置（１０）であって、
   外部タイミングソースを用いてクロック可能な制御構成要素（１１）と、
   外部タイミングソースを用いてクロック可能な少なくとも１つのシミュレーション構成要素（１２、１３、１４）と、
   制御構成要素（１１）及び少なくとも１つのシミュレーション構成要素（１２、１３、１４）に対し調整されたクロックシステムを準備するための制御構成要素に依存しないタイミングコーディネータ（１７）と
   を備えることを特徴とする自動化システムのシミュレーション装置。
6. 外部タイミングソースを用いてクロック可能な制御構成要素（１１）及び外部タイミングソースを用いてクロック可能な少なくとも１つのシミュレーション構成要素（１２、１３、１４）を有する自動化システムをシミュレーションするためのコンピュータプログラムにおいて、コンピュータプログラムが計算機（２２）上で実行されるとき、制御構成要素に依存しないタイミングコーディネータ（１７）によって制御構成要素（１１）及び少なくとも１つのシミュレーション構成要素（１２、１３、１４）に対する調整されたクロックシステムを準備するためのコンピュータプログラム命令を有することを特徴とするコンピュータプログラム。

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