WO2010149433A1 - Emulation eines automatisierungssystems - Google Patents

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Christian Spiska
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    • G05B2219/13—Plc programming
    • G05B2219/13185—Software function module for simulation

Definitions

  • the invention relates to an emulator, a system and a method for emulating at least one control of at least one technical installation.
  • control component e.g. a PLC, "Programmable Logic Controller” or PLC, "Programmable Logic Controller” - implemented in the form of an emulation solution (so-called SoftPLC).
  • Emulation is the faithful reproduction of the control technology on a standard PC basis. As far as possible, the original automation program is interpreted. Only if necessary, the interfaces are adapted to the environment. The aim of the emulation solution is to reproduce the image as faithfully as possible with as little falsification as possible by adapting the system design to the emulation system.
  • the invention has for its object to provide an emulation solution that can communicate highly available with real components from the automation environment.
  • This object is achieved by an emulator for emulating at least one control of at least one technical system when running on a computer unit of a system according to the invention, wherein the emulator is at least a replica of an operating system functionality of the controller for a highly available communication and a replica of at least one system function block of the controller for the highly available Communication, as well as by a computer program product with such an emulator.
  • a system for emulating at least one controller of at least one technical system comprising at least one computer unit with at least one input and at least one output device, at least one inventive emulator, at least one network card and / or a communication processor and at least one Communication layer for the production of high-availability communication.
  • the object is finally achieved by a method for emulation of at least one controller of at least one technical system, wherein a system configuration of the technical system is performed, the system configuration is loaded into the computer unit of a system according to the invention and wherein the system via at least one network card and / or a Communication processor is networked with the technical system.
  • the solution according to the invention therefore consists in expanding an originally pure code interpreter by simulating the operating system functionalities for high-availability communication, in order to enhance the interpreter for the processing of faithful high-availability communication services.
  • at least one "original" system function block of the real controller, which is responsible for the high-availability communication is simulated in order to ensure the execution of the unchanged automation program using the emulated operating system functionality within the emulation.
  • a system configuration of the system must still be loaded into the computer unit of the system according to the invention and - in addition to setting up and configuring the emulation environment - the system via at least one network card and / or a communication processor (also NIC, Network Interface Card, or CP, Communication Processor) with the real hardware of the technical system.
  • a communication processor also NIC, Network Interface Card, or CP, Communication Processor
  • the simulation of the at least one system function block is implemented as a high-level language block. Due to this also called HLL, High Level Language, the integration into the operating system emulation of SoftPLC is particularly easy.
  • the communication layer has a programming interface for producing at least highly available connections to devices of the technical system as well as a connection layer for parameterization and initialization of the connections.
  • the lowermost layer consists of the programming interface of the widespread product "Simatic Net", whereupon the connection layer is set up, which among other things has the task of parameterizing all connections - for example according to a configuration file - and initializing them for the communication.
  • the system configuration is loaded into the computer unit by means of a configuration system.
  • a configuration system is usually also used for importing the configuration onto the real part of the automation system, so that no additional effort is created by using the same configuration tool for loading the configuration onto the emulated part of the automation system.
  • the figure shows a schematic representation of a system 18 according to the invention, consisting of an input 7 and an output device 8 and a computer unit 4 with a network card or a communication processor 9 and a communication layer 10.
  • two emulators 1 are on the computer unit 4 installed, both of which can communicate via the communication layer 10 with a controller 2 a technical system 3.
  • Other automation devices of Appendix 3 are not shown for clarity.
  • the controller 2 embodied as a PLC has an operating system 14 in which various system function blocks 15, 16 are implemented. In this case, the function block 15 is responsible for the fault-tolerant communication.
  • a system configuration is carried out, which is first imported into a configuration system of the automation environment and loaded with the aid of the configuration system both on the real 2 and on the emulated part 1 of the automation system.
  • the emulation system 18 is networked via a connection 11 suitable for high-availability communication with the technical system 3 - in the example shown with the PLC 2 of the system 3.
  • a user program 12 (eg an automation program) runs on the controller 2 and the emulator 1, wherein various instructions 13, 17 are processed in sequence.
  • a call for a highly available communication takes place in instruction 17, whereby the corresponding system function block 15 of the controller 2 or in the emulator 1 the corresponding replica 6 are called.
  • a highly available communication with devices of the system 3 is now also possible via the connection 11, whereby a highly available coupling between emulated and real automation technology is realized.
  • the invention relates to an emulator, a system and a method for emulating at least one control of at least one technical installation.
  • an emulation solution that can communicate highly available with real components from the automation environment, it is proposed to supplement an emulator by at least one simulation of an operating system functionality and by a simulation of at least one system function module of the controller for a high-availability communication.
  • Via at least one network card and / or a communication processor and at least one communication layer for producing the highly available communication after loading a system configuration, the system is networked with the technical system.

Abstract

Die Erfindung betrifft einen Emulator, ein System und ein Verfahren zur Emulation zumindest einer Steuerung zumindest einer technischen Anlage. Um eine Emulationslösung anzugeben, die hochverfügbar mit realen Komponenten aus dem Automatisierungsumfeld kommunizieren kann, wird vorgeschlagen, einen Emulator um zumindest eine Nachbildung einer Betriebssystemfunktionalität und um eine Nachbildung zumindest eines Systemfunktionsbausteins der Steuerung für eine hochverfügbare Kommunikation zu ergänzen. Über zumindest eine Netzwerkkarte und/oder einen Kommunikationsprozessor und zumindest eine Kommunikationsschicht zur Herstellung der hochverfügbaren Kommunikation wird nach Laden einer Anlagenprojektierung das System mit der technischen Anlage vernetzt.

Description

Beschreibung
Emulation eines Automatisierungssystems
Die Erfindung betrifft einen Emulator, ein System und ein Verfahren zur Emulation zumindest einer Steuerung zumindest einer technischen Anlage.
Diese kommen auf dem Gebiet der Automatisierungs- oder AnIa- gentechnik zum Einsatz. Hier wird aus Kostengründen für Schu- lungs- und Testzwecke üblicherweise eine Nachbildung der Anlagentechnik eingesetzt. Dabei wird der Steuerungsanteil - z.B. eine SPS, „Speicherprogrammierbare Steuerung" bzw. PLC, „Programmable Logic Controller" - in Form einer Emulationslö- sung (als sogenannte SoftPLC) umgesetzt. Emulation ist die originalgetreue Nachbildung der Leittechnik auf Standard-PC- Basis. Dabei wird so weit wie möglich das originale Automatisierungsprogramm interpretiert. Nur wenn notwendig, werden die Schnittstellen zur Umgebung angepasst. Das Ziel der Emu- lationslösung ist die weitestgehend originalgetreue Nachbildung mit möglichst wenig Verfälschung durch Anpassungen der Anlagenauslegung an das Emulationssystem.
Für bestimmte Anwendungsfälle ist es notwendig, eine Kopplung zwischen emulierter und realer Hardware herzustellen. Bisher ist es allerdings nicht möglich, die in der Emulation ablaufenden Automatisierungsgeräte für die hochverfügbare Kopplung mit realer Hardware in die originale Netzprojektierung transparent mit einzubeziehen . Dadurch, dass die Emulation momen- tan nicht in der Lage ist, hochverfügbar mit realen Komponenten aus dem Automatisierungsumfeld zu kommunizieren, ist eine Kopplung nicht möglich.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Emulationslö- sung anzugeben, die hochverfügbar mit realen Komponenten aus dem Automatisierungsumfeld kommunizieren kann. Diese Aufgabe wird gelöst durch einen Emulator zur Emulation zumindest einer Steuerung zumindest einer technischen Anlage bei Ablauf auf einer Rechnereinheit eines erfindungsgemäßen Systems, wobei der Emulator zumindest eine Nachbildung einer Betriebssystemfunktionalität der Steuerung für eine hochverfügbare Kommunikation und eine Nachbildung zumindest eines Systemfunktionsbausteins der Steuerung für die hochverfügbare Kommunikation aufweist, sowie durch ein Computerprogrammprodukt mit einem derartigen Emulator.
Die Aufgabe wird weiter gelöst durch ein System zur Emulation zumindest einer Steuerung zumindest einer technischen Anlage, aufweisend zumindest eine Rechnereinheit mit zumindest einem Ein- und zumindest einem Ausgabegerät, zumindest einen erfin- dungsgemäßen Emulator, zumindest eine Netzwerkkarte und/oder einen Kommunikationsprozessor und zumindest eine Kommunikationsschicht zur Herstellung der hochverfügbaren Kommunikation.
Die Aufgabe wird schließlich gelöst durch ein Verfahren zur Emulation zumindest einer Steuerung zumindest einer technischen Anlage, wobei eine Anlagenprojektierung der technischen Anlage vorgenommen wird, wobei die Anlagenprojektierung in die Rechnereinheit eines erfindungsgemäßen Systems geladen wird und wobei das System über zumindest eine Netzwerkkarte und/oder einen Kommunikationsprozessor mit der technischen Anlage vernetzt wird.
Bei den bisherigen Emulationslösungen sind die für die hochverfügbare Kommunikation notwendigen Betriebssystemfunktiona- litäten nicht in der Emulation implementiert. Eine Ausführung der Kommunikationsbausteine, welche die hochverfügbare Kommunikation abwickeln, war aus diesem Grunde nicht möglich. Daher können die bisherigen Emulationslösungen, die ein nicht- hochverfügbares Netzwerkprotokoll verwenden, aufgrund inkom- patibler Protokollschichten nicht mit dem Automatisierungssystem, das ein hochverfügbares Protokoll verwendet, vernetzt werden . Durch die Erweiterung der SoftPLC, d.h. des Emulators, als ursprünglich reinen Code-Interpreter um die Teile der Betriebssystemfunktionalitäten, die für die Abhandlung der hochverfügbaren Kommunikationsdienste verantwortlich sind, sowie durch die Nachbildung zumindest eines Systemfunktionsbausteins als Schnittstelle zwischen dem zu emulierenden Automatisierungsprogramm und den hochverfügbaren Betriebssystemfunktionalitäten der Kommunikationsdienste kann nunmehr eine hochverfügbare Kopplung zwischen emulierter und realer Automatisierungstechnik realisiert werden.
Die erfindungsgemäße Lösung besteht also darin, einen ursprünglich reinen Code-Interpreter durch die Nachbildung der Betriebssystemfunktionalitäten für hochverfügbare Kommunika- tion zu erweitern, um den Interpreter für die Abhandlung von originalgetreuen hochverfügbaren Kommunikationsdiensten zu ertüchtigen. Zudem wird zumindest ein „originaler" Systemfunktionsbaustein der realen Steuerung, der für die hochverfügbare Kommunikation zuständig ist, nachgebildet, um den Ab- lauf des unveränderten Automatisierungsprogramms unter Verwendung der nachgebildeten Betriebssystemfunktionalität innerhalb der Emulation zu gewährleisten.
Zur Emulation der Steuerung der technischen Anlage muss noch eine Anlagenprojektierung der Anlage in die Rechnereinheit des erfindungsgemäßen Systems geladen werden und - neben dem Einrichten und Konfigurieren der Emulationsumgebung - das System über zumindest eine Netzwerkkarte und/oder einen Kommunikationsprozessor (auch NIC, Network Interface Card, bzw. CP, Communication Processor) mit der realen Hardware der technischen Anlage vernetzt werden.
In einer vorteilhaften Form der Ausgestaltung ist die Nachbildung des zumindest einen Systemfunktionsbausteins als Hochsprachenbaustein ausgeführt. Durch diese auch HLL, High Level Language, genannte Ausführung ist die Integration in die Betriebssystemnachbildung der SoftPLC besonders einfach möglich . In einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform weist die Kommunikationsschicht eine Programmierschnittstelle zur Herstellung zumindest von hochverfügbaren Verbindungen zu Geräten der technischen Anlage sowie eine Verbindungsschicht zur Parametrierung und Initialisierung der Verbindungen auf. Dabei besteht z.B. die unterste Schicht aus der Programmierschnittstelle des verbreiteten Produktes „Simatic Net", worauf die Verbindungsschicht aufsetzt, die u.a. die Aufgabe hat, alle Verbindungen - beispielsweise gemäß einer Konfigu- rationsdatei - zu parametrieren und für die Kommunikation zu initialisieren.
In einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform wird die Anlagenprojektierung mittels eines Projektierungssystems in die Rechnereinheit geladen. Ein derartiges Projektierungssystem wird üblicherweise auch zum Einspielen der Projektierung auf den realen Teil des Automatisierungssystems verwendet, so dass durch die Verwendung desselben Projektierungstools auch zum Laden der Projektierung auf den emulierten Teil des Auto- matisierungssystems kein Mehraufwand entsteht.
Im Folgenden wird die Erfindung anhand des in der Figur dargestellten Ausführungsbeispiels näher beschrieben und erläutert. Die Figur zeigt:
eine schematische Darstellung der erfindungsgemäßen
Emulationslösung.
Die Figur zeigt eine schematische Darstellung eines erfin- dungsgemäßen Systems 18, bestehend aus einem Ein- 7 und einem Ausgabegerät 8 sowie einer Rechnereinheit 4 mit einer Netzwerkkarte bzw. einem Kommunikationsprozessor 9 und einer Kommunikationsschicht 10. Im dargestellten Beispiel sind zwei Emulatoren 1 auf der Rechnereinheit 4 installiert, die beide über die Kommunikationsschicht 10 mit einer Steuerung 2 einer technischen Anlage 3 kommunizieren können. Weitere Automatisierungsgeräte der Anlage 3 sind der Übersichtlichkeit halber nicht dargestellt. Die als SPS ausgeführte Steuerung 2 weist ein Betriebssystem 14 auf, in dem verschiedene Systemfunktionsbausteine 15, 16 realisiert sind. Dabei ist der Funktionsbaustein 15 für die hochverfügbare Kommunikation zuständig.
Im (jeweiligen) Emulator 1 (der sogenannten SoftPLC) ist eine Nachbildung 5 derjenigen Betriebssystemfunktionalität der Steuerung 2 vorhanden, die für die hochverfügbare Kommunikation zuständig ist, ebenso wie eine Nachbildung 6 des betref- fenden Systemfunktionsbausteins 15, die als Hochsprachenbaustein (HLL, High Level Language) ausgeführt ist.
Für die technische Anlage 3 wird eine Anlagenprojektierung vorgenommen, die zunächst in ein Projektierungssystem der Au- tomatisierungsumgebung eingespielt und mit Hilfe des Projektierungssystems sowohl auf den realen 2 als auch auf den emulierten Teil 1 des Automatisierungssystems geladen wird. Nach dem selbstverständlichen Einrichten und Konfigurieren der Emulationsumgebung 18 und dem Aufbau und der Vernetzung der realen Hardware 3 wird das Emulationssystem 18 über eine für hochverfügbare Kommunikation geeignete Verbindung 11 mit der technischen Anlage 3 - im dargestellten Beispiel mit der SPS 2 der Anlage 3 - vernetzt.
Ein Anwenderprogramm 12 (z.B. ein Automatisierungsprogramm) läuft auf der Steuerung 2 und dem Emulator 1 ab, wobei verschiedene Anweisungen 13, 17 der Reihe nach abgearbeitet werden. Ein Aufruf für eine hochverfügbare Kommunikation erfolgt in Anweisung 17, wodurch der entsprechende Systemfunktions- baustein 15 der Steuerung 2 bzw. im Emulator 1 die entsprechende Nachbildung 6 aufgerufen werden. Bei Ablauf des Anwenderprogramms 12 im erfindungsgemäßen Emulator 1 ist nun also auch über die Verbindung 11 eine hochverfügbare Kommunikation mit Geräten der Anlage 3 möglich, wodurch eine hochverfügbare Kopplung zwischen emulierter und realer Automatisierungstechnik realisiert wird. Zusammenfassend betrifft die Erfindung einen Emulator, ein System und ein Verfahren zur Emulation zumindest einer Steuerung zumindest einer technischen Anlage. Um eine Emulationslösung anzugeben, die hochverfügbar mit realen Komponenten aus dem Automatisierungsumfeld kommunizieren kann, wird vorgeschlagen, einen Emulator um zumindest eine Nachbildung einer Betriebssystemfunktionalität und um eine Nachbildung zumindest eines Systemfunktionsbausteins der Steuerung für eine hochverfügbare Kommunikation zu ergänzen. Über zumindest eine Netzwerkkarte und/oder einen Kommunikationsprozessor und zumindest eine Kommunikationsschicht zur Herstellung der hochverfügbaren Kommunikation wird nach Laden einer Anlagenprojektierung das System mit der technischen Anlage vernetzt.

Claims

Patentansprüche
1. Emulator (1) zur Emulation zumindest einer Steuerung (2) zumindest einer technischen Anlage (3) bei Ablauf auf einer Rechnereinheit (4) eines Systems (18) nach Anspruch 3 oder 4, wobei der Emulator (1) zumindest eine Nachbildung (5) einer Betriebssystemfunktionalität (14) der Steuerung (2) für eine hochverfügbare Kommunikation (11) und eine Nachbildung (6) zumindest eines Systemfunktionsbausteins (15, 16) der Steue- rung (2) für die hochverfügbare Kommunikation (11) aufweist.
2. Emulator nach Anspruch 1, wobei die Nachbildung (6) des zumindest einen Systemfunktionsbausteins (15, 16) als Hochsprachenbaustein ausgeführt ist.
3. System (18) zur Emulation zumindest einer Steuerung (2) zumindest einer technischen Anlage (3), aufweisend zumindest eine Rechnereinheit (4) mit zumindest einem Ein- (7) und zu- mindest einem Ausgabegerät (8), zumindest einen Emulator (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, zumindest eine Netzwerkkarte und/oder einen Kommunikationsprozessor (9) und zumindest eine Kommunikationsschicht (10) zur Herstellung der hochverfügbaren Kommunikation (11) .
4. System nach Anspruch 3, wobei die Kommunikationsschicht (10) eine Programmierschnittstelle zur Herstellung zumindest von hochverfügbaren Verbindungen (11) zu Geräten der technischen Anlage (3) sowie eine Verbindungsschicht zur Parametrierung und Initialisierung der Verbindungen (11) aufweist.
5. Computerprogrammprodukt mit einem Emulator (1) nach Anspruch 1 oder 2.
6. Verfahren zur Emulation zumindest einer Steuerung (2) zumindest einer technischen Anlage (3) , wobei eine Anlagenprojektierung der technischen Anlage (3) vorgenommen wird, wobei die Anlagenprojektierung in die Rechnereinheit (4) eines Systems (18) nach Anspruch 3 oder 4 geladen wird und wobei das System (18) über zumindest eine Netzwerkkarte und/oder einen Kommunikationsprozessor (9) mit der technischen Anlage (3) vernetzt wird.
7. Verfahren nach Anspruch 6, wobei die Anlagenprojektierung mittels eines Projektierungssystems in die Rechnereinheit (4) geladen wird.
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