WO2018054465A1 - Method and devices for the synchronised simulation and emulation of automated production systems - Google Patents

Method and devices for the synchronised simulation and emulation of automated production systems Download PDF

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WO2018054465A1
WO2018054465A1 PCT/EP2016/072490 EP2016072490W WO2018054465A1 WO 2018054465 A1 WO2018054465 A1 WO 2018054465A1 EP 2016072490 W EP2016072490 W EP 2016072490W WO 2018054465 A1 WO2018054465 A1 WO 2018054465A1
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plc
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Gustavo Quiros Araya
Rene Ermler
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Siemens Aktiengesellschaft
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    • G—PHYSICS
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    • G—PHYSICS
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    • G05B2219/10—Plc systems
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Definitions

  • An emulator is understood to be a program which simulates a different system in certain aspects by obtaining the same data, executing comparable programs and, if possible, obtaining the same results as the system to be emulated.
  • a synchronization mechanism In the software-based simulation of automated production, a synchronization mechanism is often ver ⁇ turns, wherein the execution of all simulation programs in steps of equal duration progresses.
  • the synchronization mechanism determines an order of all Simula ⁇ tion programs and activates the programs under this tire alternating. Between two successive executions of the sequence, a data exchange takes place between the simulation programs, output data are transmitted and delivered as corresponding input data.
  • Today's simulation systems for PLC-based automation systems mainly use the cyclic execution of the simulation component in a predefined order. This approach is a direct and natural representation of the implementation principle of an automation system, and is therefore favored in practice.
  • the object is achieved by a method according to the Merkma ⁇ len of claim 1.
  • the inventive method for software-based simulation of an automated system the simulation consists of at least two independent, mutually coupled simulation and / or emulation programs, and ⁇ each of these at least two simulation and / or emulation programs an independent simulation task in detail Performs simulation steps, and an exchange of simulation data between the simulation tasks after each simulation step is performed, and the execution of each simulation step is synchronized by a parent instance as a master, in each simulati ⁇ onsön information about in each of at least two simulation and / or emulation programs valid local time is transmitted and an external time is determined from the minimum of all local times (LT) and the determined local time of all simulation and / or Emulati ⁇ ons programs and only then Transfer the simulation data from the previous simulation step to the simulation and / or emulation programs.
  • LT minimum of all local times
  • a simulation based on virtual time offers a flexible handling of the execution speed as well as the possibility for a precise simulation process for simulation programs that are not real-time capable compared to real-time simulation. This requires the use of an active synchronization mechanism that controls the execution of all simulation programs in terms of synchronization goals.
  • I / O simulation data is in the form of a system event each before the execution of a simulation step on ⁇ occurs. This ensures global data consistency.
  • a synchronization event (so-called. Zero Message) is used in each case after the execution of a simulation step for the Mel ⁇ extension of the duration of the step.
  • the Kau ⁇ s Maschinen and continuity of distributed simulation be guaranteed.
  • Figure 2 shows a synchronization method for PLC emulation and process simulation
  • FIG. 3 shows an example of a synchronization sequence.
  • FIG 1 the general execution mechanism of a simulation program (PLC emulator or system or process ⁇ simulation), which synchronizes with other simulation programs, represented as a flowchart.
  • the program reports its internal virtual time (ie the simulation time), also called local time, to the simulation environment: send LocalTime.
  • the program then sends mulationsum ashamed its off ⁇ output data from a previous simulation step to the Si: send output data.
  • the simulation program then executes the simulation step 105: Run Cycle, and repeats the process by returning 106 back to the first step 101.
  • Synchronization of the execution on a virtual time basis of several SPS emulators in connection with various system or process simulations is achieved with the method shown in FIG.
  • SynM SynM is a software component that assumes the role of centralized coordination.
  • the synchronization master retains for its simulation program Sim its currently known virtual time (local time) and a time stamp for the input data.
  • the synchronization master SynM has a configuration of the data connections between the simulation programs.
  • a synchronization slave SimSynS is set up, which realizes the interaction between the simulation program Sim and the synchronization master SynM according to the method according to FIG.
  • the synchronization slave SimSynS preserves the current virtual clock ⁇ time of the simulation programs.
  • the synchronization slave SPSSynS, SimSynS sends the Synch ⁇ ronisationsmaster SYNM the current virtual time of Si ⁇ mulationsprograms than timestamp 1 (Local Time (time)).
  • the synchronization master SYNM updates its copy of the virtual time la and calculated for each Synchronisati- ons slave the current external time than the minimum time clock ⁇ all other Syncnronisation slaves.
  • the synchronization master SynM sends all other synchronization slaves SPSSynS, SimSynS its current external clock ⁇ time as a timestamp, lb.
  • the synchronization slave PLC-SynS, SimSynS waits for the message of the external time from the synchronization master, 2 (WaitForExternalTime).
  • the wait state is held as long as the local virtual time is greater than the external time.
  • the synchronization master SYNM sends the synchronization- slave SPSSynS, SimSynS the current external time as a time stamp ⁇ , 3.
  • the synchronization slave SPSSynS, SimSynS comparable equals the time stamp with the local time and leaves the wait state if necessary.
  • the synchronization slave SPSSynS, SimSynS reads the output data from the simulation program PLC-E, Sim out, 4.
  • the synchronization slave SPSSynS, SimSynS sends the Synch ⁇ ronisationsmaster the output data from the simulation program with the current time stamp; 5.
  • the synchronization master SynM receives the output data from the simulation program and decides which data is forwarded to which simulation programs, 5a.
  • the synchronization master SynM sends the corresponding synchronization slaves SPSSynS, SimSynS the corresponding data with the corresponding time stamp, 5b.
  • the synchronization slave SPSSynS, SimSynS writes the new ⁇ s input data to the simulation program 5c PLC E, Sim.
  • the synchronization slave updates the achievableszeitstem ⁇ pel locally, 5d.
  • the synchronization slave SPSSynS, SimSynS pushes the next simulation step and the next cycle of simulation ⁇ program PLC E Sim to, 6.
  • the simulation program Sim, PLC E notifies the synchronization slave SPSSynS, SimSynS the end of the simulation step or of the cycle and the corresponding elapsed time, 7.
  • the synchronization slave SPSSynS, SimSynS adds the reported duration to the local time, 8.
  • Figure 3 shows an example of the flow of synchronizers ⁇ tion between a PLC emulation PLC I and a process simulation Sim.
  • the timing advance t is shown from left to right, top, by way of example of the time progress of a process simulation and below that of the PLC Emulation ,
  • the execution of the simulation steps is shown with filled rectangles. Messages are represented by arrows with event identifiers and timestamps. This information is exchanged for Local Time LT and External Time ET. All time values refer to the virtual time axis. Furthermore, data, OT output data and ID, input data are sent between the elements.
  • the Jerusalemsimula ⁇ tion Sim leads in increments of 100 ms from which can be seen at the top associated timeline.
  • the step length of the PLC emulation is determined by the execution time of the program cycle and is uneven and unpredictable. Thanks to the synchronization of both programs run their simulation ⁇ steps always with currently valid input data.
  • initialization messages LT (0), ET (0), OD (0), ID (0) are exchanged.
  • the numbers in parentheses indicate the local time.
  • the messages are exchanged between the two simulation or emulation programs via the synchronization master (Syn M) and forwarded according to the time specifications.
  • the simulation data are always returned to the determined time in the simulation / emulation process so as to ensure ei ⁇ ne data-consistent implementation.

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Abstract

The method and the devices involve the software-based simulation of automated production systems. It is common to use simulation and emulation programs which are coupled to one another and used together for this purpose, with each program performing a specific task. In comparison to a real-time simulation, a simulation based on virtual time, i.e. not in real time, offers flexible handling of the execution speed as well as the possibility for precise simulation running when using simulation programs that cannot be run in real time. This requires the use of an active synchronisation mechanism which controls the execution of all simulation programs in relation to the objectives of the synchronisation.

Description

Beschreibung description
VERFAHREN UND VORRICHTUNGEN ZUR SYNCHRONISIERTEN SIMULATION UNDMETHOD AND DEVICES FOR SYNCHRONIZED SIMULATION AND
EMULATION VON AUTOMATISIERTEN PRODUKTIONSANLAGEN EMULATION OF AUTOMATED PRODUCTION PLANTS
Für die softwarebasierte Simulation von automatisierten Produktionsanlagen werden üblicherweise verschiedene Simulati- ons- und Emulationsprogramme verwendet. Sie werden für diesen Zweck miteinander gekoppelt und gemeinsam angewendet, wobei jedes Programm eine bestimmte Aufgabe erfüllt. For the software-based simulation of automated production systems, different simulation and emulation programs are usually used. They are coupled and shared for this purpose, with each program performing a specific task.
Unter einem Emulator versteht man dabei ein Programm, das ein anderes System in bestimmten Teilaspekten nachbildet, indem es die gleichen Daten erhält, vergleichbare Programme aus¬ führt und möglichst die gleichen Ergebnisse erhält wie das zu emulierende System. An emulator is understood to be a program which simulates a different system in certain aspects by obtaining the same data, executing comparable programs and, if possible, obtaining the same results as the system to be emulated.
Ein wesentliches Problem der Ankopplung zwischen diesen unterschiedlichen Programmen ist die Synchronisation der verteilten Ausführung. Die begleitende Ausführung aller Simulationsprogramme soll ohne erkennbares Auseinanderlaufen insbe¬ sondere auch in der zeitlichen Durchführung möglich sein. Das (sogenannte) Kausalitätsprinzip soll gewahrt werden, bei dem aktuelle Systemaktionen nur zukünftige und keine vergangene Systemaktionen beeinflussen können. An important problem of the coupling between these different programs is the synchronization of the distributed execution. The accompanying execution of all simulation programs should be possible without recognizable divergence in particular ¬ special in the temporal implementation. The (so-called) principle of causality is to be maintained, in which current system actions can only influence future and not past system actions.
Bei einer Echtzeitsimulation werden alle Simulationsprogramme auf einer realen Zeitbasis ausgeführt, was eine zusätzliche Herausforderung darstellt. In diesem Fall sind beide Ziele der Synchronisation gegeben, und zwar durch die direkte Zuordnung von Aktionen zu realen Zeitpunkten, d. h. durch den chronologischen Ablauf. In a real-time simulation, all simulation programs are executed on a real-time basis, which presents an additional challenge. In this case, both goals of the synchronization are given, namely by the direct assignment of actions to real time points, d. H. through the chronological process.
Bei der softwarebasierten Simulation von automatisierten Produktionsanlagen wird oft ein Synchronisationsmechanismus ver¬ wendet, wobei die Ausführung aller Simulationsprogramme in Schritten von gleicher Dauer fortschreitet. Der Synchronisationsmechanismus bestimmt eine Reihenfolge von allen Simula¬ tionsprogrammen und aktiviert die Programme gemäß dieser Rei- henfolge alternierend. Zwischen zwei sukzessiven Ausführungen der Reihenfolge findet ein Datenaustausch zwischen den Simulationsprogrammen statt, es werden Ausgangsdaten übertragen und als entsprechenden Eingangsdaten geliefert. In the software-based simulation of automated production, a synchronization mechanism is often ver ¬ turns, wherein the execution of all simulation programs in steps of equal duration progresses. The synchronization mechanism determines an order of all Simula ¬ tion programs and activates the programs under this tire alternating. Between two successive executions of the sequence, a data exchange takes place between the simulation programs, output data are transmitted and delivered as corresponding input data.
Dieser zyklische Lösungsansatz ist relativ einfach zu realisieren, er hat aber den Nachteil, dass alle Simulationspro¬ gramme mit derselben Schrittlänge bzw. mit derselben Zyklus¬ zeit ausgeführt werden müssen. Effektiv muss das kleinste ge¬ meinsame Vielfache von allen Schrittlängen als gemeinsame Zykluszeit gewählt werden, und dafür müssen die individuellen Schrittlängen konstant und bekannt sein. Wenn diese Bedingung nicht erfüllt werden kann, dann ist dieser Synchronisations¬ mechanismus nicht einsetzbar. Ein häufiges Beispiel dafür ist eine SPS-Emulation, welche ein freilaufendes Anwenderprogramm mit unvorhersehbarer Zykluszeitlänge ausführt und auf der Ba¬ sis der Hauptprogramzyklus mit dem externen Prozess kommuni¬ ziert und synchronisiert . This cyclic approach is relatively easy to implement, but it has the disadvantage that all Simulationspro ¬ programs must be carried out with the same stride length and with the same cycle time ¬. Effectively, the smallest ge ¬ my same multiples of all stride lengths must be chosen as a common cycle time, and for the individual step lengths must be constant and known. If this condition can not be met, then this synchronization ¬ mechanism can not be used. A common example of this is a PLC emulation which performs a free-running user program is unpredictable cycle time length and sheet on the Ba ¬ sis of the main program cycle with the external process communi ¬ and synchronized.
Es gibt derzeit Simulationsprodukte, die keinen Synchronisa¬ tionsmechanismus für die Ankopplung von SPS-Emulatoren anbieten, obwohl sie eine Ausführung auf virtueller Zeitbasis intern unterstützen. Bei der Verwendung dieser Simulationsprodukte muss die Simulation in Verbindung mit externen SPS- Emulatoren in Echtzeit laufen. There are currently simulation products that offer no synchronizers ¬ tion mechanism for coupling of PLC emulators, although they support a virtual run on time base internally. When using these simulation products, the simulation must run in real time in conjunction with external PLC emulators.
Für große verteilte Simulationen, z. B. bei simulierten Militärübungen oder bei Verkehrs Simulationen, werden ereignisbasierte Ansätze für die Synchronisation standardmäßig verwen¬ det. Ein Beispiel hierfür findet sich in der Norm IEEE 1516- 2010. For large distributed simulations, eg. As in simulated military exercises or traffic simulations, event-based approaches for the synchronization verwen ¬ det standard. An example of this can be found in the standard IEEE 1516-2010.
Das algorithmische Rahmenwerk für die Synchronisation von verteilten Simulationssystemen ist Stand der Technik (siehe R. Fujimoto. Parallel and Distributed Simulation Systems. John Wiley & Sons, Inc. , New York, NY, USA, 2000. ISBN 0-471 - 18383-0) . Die Synchronisation auf Basis von virtuellen Zeitstempeln sowie Optimierungsverfahren wie „Time Warping" sind bei vielen Anwendungsgebieten (z .B. Militärübungen) in Einsatz. Die Standardalgorithmen für die verteilte Synchronisa- tion werden in der Literatur allgemein und anwendungsunabhängig auf der Basis von „Systemereignissen" definiert. Für konkrete Anwendungsszenarien müssen die Systemereignisse noch festgelegt und die Simulationslogik entsprechend definiert werden . The algorithmic framework for the synchronization of distributed simulation systems is known in the art (see R. Fujimoto, Parallel and Distributed Simulation Systems, John Wiley & Sons, Inc., New York, NY, USA, 2000. ISBN 0-471-18383-0 ). Synchronization based on virtual timestamps and optimization techniques such as "time warping" are used in many application areas (eg military exercises). In the literature, general and application-independent definitions are defined on the basis of "system events." For concrete application scenarios, the system events must still be defined and the simulation logic defined accordingly.
Die heutigen Simulationssysteme für SPS-basierte Automatisie rungssysteme verwenden hauptsächlich die zyklische Ausführun der Simulationskomponente in einer festdefinierten Reihenfol ge . Dieser Ansatz ist eine direkte und natürliche Abbildung des Ausführungsprinzips eines Automatisierungs Systems , und wird deshalb in der Praxis favorisiert. Today's simulation systems for PLC-based automation systems mainly use the cyclic execution of the simulation component in a predefined order. This approach is a direct and natural representation of the implementation principle of an automation system, and is therefore favored in practice.
Es ist Aufgabe der Erfindung, ein verbessertes Verfahren und Vorrichtungen zur Synchronisation von Simulations- und Emulationsprogrammen anzugeben, welche die oben genannten Nachteile nicht aufweisen. Es ist insbesondere die Aufgabe der Er¬ findung, ein Verfahren im Umfeld der Simulation von Automatisierungsanlagen anzugeben. It is an object of the invention to provide an improved method and apparatus for the synchronization of simulation and emulation programs, which do not have the disadvantages mentioned above. It is in particular the object of the ¬-making, to provide a method in the field of simulation of automation systems.
Die Aufgabe wird gelöst durch ein Verfahren gemäß den Merkma¬ len des Patentanspruchs 1. The object is achieved by a method according to the Merkma ¬ len of claim 1.
Die Aufgabe wird gelöst durch Vorrichtung gemäß den Merkmalen der Patentansprüche 12 (Master) und 13 (Slave) .  The object is achieved by means of apparatus according to the features of patent claims 12 (master) and 13 (slave).
Das erfindungsgemäße Verfahren zur softwarebasierten Simulation einer automatisierten Anlage, wobei die Simulation aus zumindest zwei eigenständigen, untereinander koppelbaren Simulations- und / oder Emulations-Programmen besteht, und je¬ des dieser zumindest zwei Simulations- und / oder Emulations- Programme eine eigenständige Simulationsaufgabe in einzelnen Simulationsschritten erfüllt, und ein Austausch von Simulationsdaten zwischen den Simulationsaufgaben nach jedem durchgeführten Simulationsschritt erfolgt, und die Ausführung eines jeden Simulationsschritts durch eine übergeordnete Instanz als Master zeitlich synchronisiert wird, in jedem Simulati¬ onsschritt eine Information über die in jedem der zumindest zwei Simulations- und / oder Emulations-Programme geltende lokale Zeit übermittelt wird und eine externe Zeit bestimmt wird, aus dem Minimum aller lokalen Zeiten (LT) und über die ermittelte lokale Zeit aller Simulations- und / oder Emulati¬ ons-Programme und erst dann Übermitteln der Simulationsdaten aus dem vorherigen Simulationsschritt an die Simulations- und / oder Emulations-Programme. The inventive method for software-based simulation of an automated system, the simulation consists of at least two independent, mutually coupled simulation and / or emulation programs, and ¬ each of these at least two simulation and / or emulation programs an independent simulation task in detail Performs simulation steps, and an exchange of simulation data between the simulation tasks after each simulation step is performed, and the execution of each simulation step is synchronized by a parent instance as a master, in each simulati ¬ onsschritt information about in each of at least two simulation and / or emulation programs valid local time is transmitted and an external time is determined from the minimum of all local times (LT) and the determined local time of all simulation and / or Emulati ¬ ons programs and only then Transfer the simulation data from the previous simulation step to the simulation and / or emulation programs.
Eine Simulation basierend auf virtueller Zeit, also nicht auf Echtzeit, bietet im Vergleich zur Echtzeitsimulation eine flexible Handhabung der Ausführungsgeschwindigkeit sowie die Möglichkeit für einen präzisen Simulationsablauf bei nicht echtzeitfähigen Simulationsprogrammen an. Dafür ist der Einsatz eines aktiven Synchronisationsmechanismus erforderlich, der die Ausführung aller Simulationsprogramme im Hinblick auf die Ziele der Synchronisation steuert. A simulation based on virtual time, ie not on real time, offers a flexible handling of the execution speed as well as the possibility for a precise simulation process for simulation programs that are not real-time capable compared to real-time simulation. This requires the use of an active synchronization mechanism that controls the execution of all simulation programs in terms of synchronization goals.
Der Übergang zu einem ereignisbasierten Synchronisationsansatz basierend auf virtueller Zeit kann nur durch die Einbeziehung der Theorie und Methodik von verteilten Simulationssystemen durchgeführt werden, wegen der höheren Abstraktion die beim Systementwurf erforderlich ist. The transition to an event-based synchronization approach based on virtual time can only be accomplished by incorporating the theory and methodology of distributed simulation systems because of the higher abstraction required in system design.
Die vorgestellte Lösung stellt eine spezielle ereignisbasier¬ te Lösung für den konkreten Anwendungsfall der Synchronisati¬ on bei der SPS-Emulation zur Verfügung. Basierend auf dem allgemeinen Synchronisationsverfahren von Chandy/Misra/Bryant (CMB) wurden Systemereignisse und Ausführungsabläufe für SPS- Emulatoren konzipiert und prototypisch erprobt. Das Ergebnis ist ein Synchronisationsverfahren, das für dieses Anwendungsszenario speziell ausgelegt und optimiert ist: The solution presented provides a special ereignisbasier ¬ te solution for the specific application of Synchronisati ¬ on during PLC emulation. Based on the general synchronization procedure of Chandy / Misra / Bryant (CMB), system events and execution sequences for PLC emulators were designed and prototype tested. The result is a synchronization method that is specially designed and optimized for this application scenario:
Die typische zyklische Ausführung von SPS und Prozesssimula¬ tionen wird im neuen Synchronisationsverfahren erhalten. Ein Zyklus wird durch ein internes Systemereignis realisiert. The typical cyclic execution of PLC and Prozesssimula ¬ tions is obtained in the new synchronization method. A cycle is realized by an internal system event.
Die übliche E/A-Kommunikation der SPS wird in das Synchronisationsverfahren integriert. Die Übertragung von E/A- Simulations-Daten erfolgt in Form eines Systemereignisses das jeweils vor der Ausführung eines Simulationsschrittes auf¬ tritt. Damit wird die globale Datenkonsistenz gewährleistet. The usual I / O communication of the PLC is integrated into the synchronization process. The transmission of I / O simulation data is in the form of a system event each before the execution of a simulation step on ¬ occurs. This ensures global data consistency.
Ein Synchronisationsereignis (sog. Null-Message) wird jeweils nach der Ausführung eines Simulationsschrittes für die Mel¬ dung der Dauer des Schrittes verwendet. Damit werden die Kau¬ salität und die Kontinuität der verteilten Simulation gewährleistet . A synchronization event (so-called. Zero Message) is used in each case after the execution of a simulation step for the Mel ¬ extension of the duration of the step. Thus the Kau ¬ salität and continuity of distributed simulation be guaranteed.
Ein Vorteil des beschriebenen Ansatzes gegenüber aktuellen Lösungen ist, dass nun die Möglichkeit einer präzisen und korrekten Synchronisation eines verteilten Simulationssystems für SPS auf virtueller Zeitbasis gegeben ist. An advantage of the described approach over current solutions is that there is now the possibility of a precise and correct synchronization of a distributed simulation system for PLC on a virtual time basis.
Dabei wird komplette Flexibilität bezüglich der virtuellen Dauer der Ausführungszyklen bei der individuellen beteiligten Simulationsprogrammen realisiert . Complete flexibility with regard to the virtual duration of the execution cycles in the individual simulation programs involved is realized.
Vorteilhaft ist auch die parallele Ausführung der Simulati¬ onsschritte, wenn die Datenabhängigkeit dies erlaubt. Also advantageous is the parallel execution of the Simulati ¬ onsschritte if the data dependency permits.
Darüber hinaus ist eine Kompatibilität mit bestehenden SPS- Emulatoren und Simulationsprogrammen gegeben. Die vorgeschlagene Lösung ist mit einem überschaubaren Implementierungsauf¬ wand und geringem Mehraufwand zur Laufzeit der Simulation erreichbar . In addition, compatibility with existing PLC emulators and simulation programs is given. The proposed solution is wall with a manageable Implementierungsauf ¬ and little additional effort to the running time of the simulation distance.
Im Folgenden wird die Erfindung durch die Figuren erläutert. Dabei zeigt In the following the invention is explained by the figures. It shows
Figur 1 einen allgemeinen Aus führungsmechanismus eines Si¬ mulationsprogramms , 1 shows a general guide mechanism from a Si ¬ mulationsprogramms,
Figur 2 ein Synchronisationsverfahren für SPS Emulation und Prozesssimulation und  Figure 2 shows a synchronization method for PLC emulation and process simulation and
Figur 3 ein Beispiel für einen Synchronisationsablauf.  FIG. 3 shows an example of a synchronization sequence.
In Figur 1 wird der allgemeine Ausführungsmechanismus eines Simulationsprogramms (SPS-Emulator oder Anlage- bzw. Prozess¬ simulation) , das sich mit weiteren Simulationsprogrammen synchronisiert, als Ablaufdiagramm dargestellt. In einem ersten Schritt 101 meldet das Programm seine interne virtuelle Uhrzeit (d. h. die Simulationszeit), auch lokale Zeit genannt, an die Simulationsumgebung: send LocalTime . Im nächsten Schritt 102 wartet das Programm, bis die externe Zeit, also die minimale lokale Zeit von allen weiteren Simu¬ lationsprogrammen, die lokale Zeit erreicht oder überschrei¬ tet: wait until (ExternalTime >= LocalTime) . In Figure 1, the general execution mechanism of a simulation program (PLC emulator or system or process ¬ simulation), which synchronizes with other simulation programs, represented as a flowchart. In a first step 101, the program reports its internal virtual time (ie the simulation time), also called local time, to the simulation environment: send LocalTime. In the next step 102, the program waits until the external time, ie the minimum local time from all other Simu ¬ lationsprogrammen, the local time reaches or screaming ¬ tet: wait until (ExternalTime> = Local Time).
Im dritten Schritt 103 sendet das Programm dann seine Aus¬ gangsdaten aus einem vorherigen Simulationsschritt an die Si- mulationsumgebung : send OutputData. In the third step 103, the program then sends mulationsumgebung its off ¬ output data from a previous simulation step to the Si: send output data.
Bevor das Simulationsprogramm seinen Simulationsschritt bzw. Zyklus ausführt, wartet es, bis mindestens eine von zwei Be¬ dingungen erfüllt wird 104: Before the simulation program executes its simulation step or cycle, it waits until at least one is filled with two loading conditions ¬ 104:
a) die externe Zeit überschreitet die lokale Zeit, und/oder b) der aktuelle Zeitstempel der Eingangsdaten entspricht der lokalen Zeit: Wait until a) the external time exceeds the local time, and / or b) the current time stamp of the input data corresponds to the local time: Wait until
(ExternalTime > LocalTime) or (InputTime == LocalTime) . Dies bedeutet, dass die weiteren Simulationsprogramme ihre gültigen Ausgangsdaten für den nächsten Simulationsschritt bereits geliefert haben.  (ExternalTime> LocalTime) or (InputTime == LocalTime). This means that the other simulation programs have already delivered their valid output data for the next simulation step.
Anschließend führt das Simulationsprogramm den Simulations- schritt 105 aus: Run Cycle, und wiederholt den Vorgang indem es wieder zum ersten Schritt 101 zurück kehrt 106. The simulation program then executes the simulation step 105: Run Cycle, and repeats the process by returning 106 back to the first step 101.
Die Synchronisation der Ausführung auf virtueller Zeitbasis von mehreren SPS-Emulatoren in Verbindung mit verschiedenen Anlagen- oder Prozesssimulationen wird mit dem in Figur 2 dargestellten Verfahren gelöst. Synchronization of the execution on a virtual time basis of several SPS emulators in connection with various system or process simulations is achieved with the method shown in FIG.
Hier wird das Verfahren für einen SPS-Emulator und für eine Simulation konkret gezeigt. Im Allgemeinen kann der Ansatz für beliebig viele SPS-Emulatoren und Simulationen erweitert werden. Dabei führen alle Simulationsprogramme mit beliebigen und variierenden Schrittlängen bzw. Zykluszeiten aus. Der Synchronisationsmaster SynM ist eine Softwarekomponente, die die Rolle der zentralen Koordination übernimmt. Der Synchronisationsmaster bewahrt für jedes Simulationsprogramm Sim seine aktuell bekannte virtuelle Uhrzeit (lokale Zeit), und einen Zeitstempel für die Eingangsdaten, auf. Ausserdem verfügt der Synchronisationsmaster SynM über eine Konfiguration der Datenverbindungen zwischen den Simulationsprogrammen . Here the procedure for a PLC emulator and for a simulation is shown concretely. In general, the approach can be extended to any number of PLC emulators and simulations. All simulation programs execute with arbitrary and varying step lengths or cycle times. SynM SynM is a software component that assumes the role of centralized coordination. The synchronization master retains for its simulation program Sim its currently known virtual time (local time) and a time stamp for the input data. In addition, the synchronization master SynM has a configuration of the data connections between the simulation programs.
Für jedes Simulationsprogramm wird einen Synchronisation- Slave SimSynS eingerichtet, der die Interaktion zwischen dem Simulationsprogramm Sim und dem Synchronisationsmaster SynM nach dem Verfahren gemäß Figur l realisiert. Außerdem bewahrt der Synchronisation-Slave SimSynS die aktuelle virtuelle Uhr¬ zeit des Simulationsprograms auf. For each simulation program, a synchronization slave SimSynS is set up, which realizes the interaction between the simulation program Sim and the synchronization master SynM according to the method according to FIG. In addition, the synchronization slave SimSynS preserves the current virtual clock ¬ time of the simulation programs.
Der Ablauf der Ausführung wird für ein Simulationsprogramm wie folgt beschrieben: The execution sequence for a simulation program is described as follows:
Der Synchronisation-Slave SPSSynS, SimSynS sendet dem Synch¬ ronisationsmaster SynM die aktuelle virtuelle Uhrzeit des Si¬ mulationsprograms als Zeitstempel 1 (LocalTime (time ) ) . The synchronization slave SPSSynS, SimSynS sends the Synch ¬ ronisationsmaster SYNM the current virtual time of Si ¬ mulationsprograms than timestamp 1 (Local Time (time)).
Der Synchronisationsmaster SynM aktualisiert seine Kopie der virtuellen Uhrzeit la und berechnet, für jeden Synchronisati- ons-Slave die aktuelle externe Uhrzeit als die minimale Uhr¬ zeit aller anderen Syncnronisation-Slaves. The synchronization master SYNM updates its copy of the virtual time la and calculated for each Synchronisati- ons slave the current external time than the minimum time clock ¬ all other Syncnronisation slaves.
Der Synchronisationsmaster SynM sendet allen anderen Syncnronisation-Slaves SPSSynS, SimSynS seine aktuelle externe Uhr¬ zeit als Zeitstempel, lb. The synchronization master SynM sends all other synchronization slaves SPSSynS, SimSynS its current external clock ¬ time as a timestamp, lb.
Der Synchronisation-Slave SPS-SynS, SimSynS wartet auf die Meldung der externen Zeit vom Synchronisationsmaster, 2 (WaitForExternalTime ) . The synchronization slave PLC-SynS, SimSynS waits for the message of the external time from the synchronization master, 2 (WaitForExternalTime).
Der Wartezustand wird gehalten, solange die lokale virtuelle Uhrzeit größer als die externe Uhrzeit ist.  The wait state is held as long as the local virtual time is greater than the external time.
Der Synchronisationsmaster SynM sendet dem Synchronisation- Slave SPSSynS, SimSynS die aktuelle externe Uhrzeit als Zeit¬ stempel, 3. Der Synchronisation-Slave SPSSynS, SimSynS ver- gleicht den Zeitstempel mit der lokalen Uhrzeit und verlässt ggf. den Wartezustand. The synchronization master SYNM sends the synchronization- slave SPSSynS, SimSynS the current external time as a time stamp ¬, 3. The synchronization slave SPSSynS, SimSynS comparable equals the time stamp with the local time and leaves the wait state if necessary.
Der Synchronisations-Slave SPSSynS, SimSynS liest die Aus- gangsdaten aus dem Simulationsprogramm SPS-E, Sim aus, 4. The synchronization slave SPSSynS, SimSynS reads the output data from the simulation program PLC-E, Sim out, 4.
Der Synchronisations-Slave SPSSynS, SimSynS sendet dem Synch¬ ronisationsmaster die Ausgangsdaten aus dem Simulationsprogramm mit dem aktuellen Zeitstempel, 5. The synchronization slave SPSSynS, SimSynS sends the Synch ¬ ronisationsmaster the output data from the simulation program with the current time stamp; 5.
Der Synchronisationsmaster SynM empfängt die Ausgangsdaten aus dem Simulationsprogramm und entscheidet, welche Daten an welche Simulationsprogramme weitergeleitet werden, 5a. The synchronization master SynM receives the output data from the simulation program and decides which data is forwarded to which simulation programs, 5a.
Der Synchronisationsmaster SynM sendet den entsprechenden Synchronisations-Slaves SPSSynS, SimSynS die entsprechenden Daten mit dem entsprechenden Zeitstempel, 5b. The synchronization master SynM sends the corresponding synchronization slaves SPSSynS, SimSynS the corresponding data with the corresponding time stamp, 5b.
Der Synchronisations-Slave SPSSynS, SimSynS schreibt die neu¬ en Eingangsdaten in das Simulationsprogram SPS-E, Sim, 5c. Der Synchronisations-Slave aktualisiert den Eingangszeitstem¬ pel lokal, 5d. The synchronization slave SPSSynS, SimSynS writes the new ¬ s input data to the simulation program 5c PLC E, Sim. The synchronization slave updates the Eingangszeitstem ¬ pel locally, 5d.
Der Synchronisation-Slave SPSSynS, SimSynS stößt den nächsten Simulationsschritt bzw. den nächsten Zyklus des Simulations¬ programms SPS-E, Sim an, 6. Das Simulationsprogramm Sim, SPS-E meldet dem Synchronisation-Slave SPSSynS, SimSynS das Ende des Simulationsschritts bzw. des Zyklus sowie die entsprechende vergangene Dauer, 7. The synchronization slave SPSSynS, SimSynS pushes the next simulation step and the next cycle of simulation ¬ program PLC E Sim to, 6. The simulation program Sim, PLC E notifies the synchronization slave SPSSynS, SimSynS the end of the simulation step or of the cycle and the corresponding elapsed time, 7.
Der Synchronisations-Slave SPSSynS, SimSynS addiert die ge- meldete Dauer auf die lokale Uhrzeit, 8. The synchronization slave SPSSynS, SimSynS adds the reported duration to the local time, 8.
Der Zyklus ist beendet und die Ausführung fährt mit Schritt 1 fort . Mit diesem Ansatz werden die oben beschriebenen Ziele derThe cycle is finished and execution continues with step 1. With this approach, the goals described above are the
Synchronisation bei der Ausführung des beschriebenen Systems erfüllt. Dabei werden Deadlocks bei der Synchronisation vermieden, weil die Berechnungsart der Ausführungsbedingung die Aktivierung von mindestens einem Simulationsprogramm zu jeder Zeit ermöglicht . Synchronization in the execution of the described system met. Deadlocks are avoided during synchronization, because the calculation method of the execution condition is the Activation of at least one simulation program possible at any time.
Figur 3 zeigt ein Beispiel für den Ablauf einer Synchronisa¬ tion zwischen einer SPS-Emulation SPS-E und einer Prozesssimulation Sim dar. Der Zeitfortschritt t wird von links nach rechts gezeigt, oben beispielhaft der Zeitfortschritt einer Prozeßsimulation und unten der von der SPS-Emulation. Figure 3 shows an example of the flow of synchronizers ¬ tion between a PLC emulation PLC I and a process simulation Sim. The timing advance t is shown from left to right, top, by way of example of the time progress of a process simulation and below that of the PLC Emulation ,
Die Ausführung der Simulationsschritte wird mit gefüllten Rechtecken dargestellt. Nachrichten werden anhand von Pfeilen mit Ereignisbezeichnern und Zeitstempeln dargestellt. Dabei werden Informationen zur Local Time LT und External Time ET ausgetauscht. Alle Zeitwerte beziehen sich auf die virtuelle Zeitachse. Weiterhin werden Daten, OT Output Data und ID, In- put Data zwischen den Elementen gesendet. Die Prozesssimula¬ tion Sim führt in Schritten von 100 ms aus was man am oberen zugehörigen Zeitstrahl erkennen kann. Die Schrittlänge der SPS-Emulation wird von der Ausführungsdauer der Programmzyklus bestimmt und ist ungleichmäßig und unvorhersehbar. Dank der Synchronisation führen beide Programme ihre Simulations¬ schritte immer mit aktuell gültigen Eingangsdaten aus. The execution of the simulation steps is shown with filled rectangles. Messages are represented by arrows with event identifiers and timestamps. This information is exchanged for Local Time LT and External Time ET. All time values refer to the virtual time axis. Furthermore, data, OT output data and ID, input data are sent between the elements. The Prozesssimula ¬ tion Sim leads in increments of 100 ms from which can be seen at the top associated timeline. The step length of the PLC emulation is determined by the execution time of the program cycle and is uneven and unpredictable. Thanks to the synchronization of both programs run their simulation ¬ steps always with currently valid input data.
Zu Beginn werden Initialisierungsnachrichten LT(0), ET(0), OD(0), ID(0) ausgetauscht. Die Zahlen in den Klammern geben jeweils den lokalen Zeitpunkt an. Die Nachrichten werden zwischen den beiden Simulations- bzw Emulationsprogrammen über den Synchronisations-Master (Syn M) ausgetauscht und entsprechend der zeitlichen Vorgaben weitergegeben. Die Simulationsdaten werden immer zum ermittelten Zeitpunkt wieder in den Simulations- / bzw. Emulationsprozeß zurück gegeben um so ei¬ ne datenkonsistente Durchführung zu gewährleisten. Initially, initialization messages LT (0), ET (0), OD (0), ID (0) are exchanged. The numbers in parentheses indicate the local time. The messages are exchanged between the two simulation or emulation programs via the synchronization master (Syn M) and forwarded according to the time specifications. The simulation data are always returned to the determined time in the simulation / emulation process so as to ensure ei ¬ ne data-consistent implementation.

Claims

Patentansprüche claims
Verfahren zur softwarebasierten Simulation einer automatisierten Anlage Method for software-based simulation of an automated system
wobei die Simulation aus zumindest zwei eigenständigen, untereinander koppelbaren Simulations- und / oder Emulations-Programmen (SPS-E, Sim) besteht,  wherein the simulation consists of at least two independent, mutually coupled simulation and / or emulation programs (SPS-E, Sim),
und jedes dieser zumindest zwei Simulations- und / oder Emulations-Programme (SPS-E, Sim) eine eigenständige Si¬ mulationsaufgabe in einzelnen Simulations schritten erfüllt, and each of these at least two simulation and / or emulation programs (PLC I, Sim) an independent Si ¬ mulationsaufgabe in single simulation steps satisfied,
und ein Austausch von Simulationsdaten zwischen den Simulationsaufgaben nach jedem durchgeführten Simulationsschritt erfolgt, und  and an exchange of simulation data between the simulation tasks after each simulation step is performed, and
die Ausführung eines jeden Simulationsschritts durch ei¬ ne übergeordnete Instanz als Master (Syn M) zeitlich synchronisiert wird, the execution of each simulation step is synchronized in time by a higher-level instance as master (Syn M),
dadurch gekennzeichnet, dass  characterized in that
in jedem Simulationsschritt eine Information über die in jedem der zumindest zwei Simulations- und / oder Emula¬ tions-Programme geltende lokale Zeit (LT) übermittelt wird (101) und is transmitted in each simulation step, information about the current in each of the at least two simulation and / or Emula ¬ tion programs local time (LT) (101) and
eine externe Zeit (ET) bestimmt wird, aus dem Minimum aller lokalen Zeiten (LT) und über die ermittelte lokale Zeit (LT) aller Simulations- und / oder Emulations- Programme und erst dann  an external time (ET) is determined from the minimum of all local times (LT) and over the determined local time (LT) of all simulation and / or emulation programs and only then
Übermitteln der Simulationsdaten (OD) aus dem vorherigen Simulationsschritt an die Simulations- und / oder Emula¬ tions-Programme (103) . Transmitting the simulation data (OD) from the previous simulation step the simulation and / or Emula ¬ tion programs (103).
Verfahren gemäß Patentanspruch 1, Method according to claim 1,
dadurch gekennzeichnet, dass  characterized in that
der nächste Simulationsschritt in jedem der zumindest zwei Simulations- und / oder Emulations-Programme (SPS E, Sim) erst begonnen wird, wenn alle der beteiligten zumindest zwei Simulations- und / oder Emulations- Programme (SPS-E, Sim) Simulationsdaten an den Simulat ons-Master (Syn M) abgeliefert haben (104) . Verfahren gemäß Patentanspruch 1 oder 2, the next simulation step in each of the at least two simulation and / or emulation programs (PLC E, Sim) is only started when all of the involved at least two simulation and / or emulation programs (PLC-E, Sim) simulate data to the Simulat ons master (Syn M) have delivered (104). Method according to claim 1 or 2,
dadurch gekennzeichnet, dass die Zeitdauer zur Durchfüh rung eines Simulationsschritts variabel ist. characterized in that the time period for performing a simulation step is variable.
Verfahren gemäß einem der vorherigen Patentansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass Method according to one of the preceding claims, characterized in that
jedes der zumindest zwei Simulations- und / oder Emula¬ tions-Programme (SPS-E, Sim) auf einer eigenständigen virtuellen Zeitbasis ausgeführt wird. each of the at least two simulation and / or Emula ¬ tion programs (PLC I, Sim) is performed on a stand-alone virtual time base.
Verfahren gemäß einem der vorherigen Patentansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass Method according to one of the preceding claims, characterized in that
eines der zumindest zwei Simulations- und / oder Emula¬ tions-Programme (SPS-E, Sim) mit einer festen Schritt¬ länge durchgeführt wird. one of the at least two simulation and / or Emula ¬ tion programs (PLC I, Sim) is carried out with a fixed step length ¬.
Verfahren gemäß einem der vorherigen Patentansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass Method according to one of the preceding claims, characterized in that
die Ausführung der Simulationsschritte in gleicher Rei¬ henfolge wiederholt, also zyklisch ausgeführt wird. the execution of the simulation steps in the same Rei ¬ henfolge repeated is therefore executed cyclically.
Verfahren gemäß einem der vorherigen Patentansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass Method according to one of the preceding claims, characterized in that
die Ausführung der Simulationsschritte auf verschiedene Simulationssysteme verteilt ist. the execution of the simulation steps is distributed among different simulation systems.
Verfahren gemäß einem der vorherigen Patentansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass Method according to one of the preceding claims, characterized in that
eines der Emulations-Programme eine Speicherprogrammier bare Steuerung (SPS-E) emuliert. one of the emulation programs emulates a programmable logic controller (PLC-E).
Verfahren gemäß einem der vorherigen Patentansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass Method according to one of the preceding claims, characterized in that
eines der Simulations-Programme einen Anwendungsprozeß (Sim) simuliert. Verfahren gemäß einem der vorherigen Patentansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass one of the simulation programs simulates an application process (Sim). Method according to one of the preceding claims, characterized in that
die Datenverbindung zwischen Simulations- und Emulati onsprogrammen (SPS-E, Sim) immer über den Simulations Master erfolgt.  the data connection between simulation and emulation programs (PLC-E, Sim) always takes place via the simulation master.
Verfahren gemäß einem der vorherigen Patentansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass Method according to one of the preceding claims, characterized in that
ein Simulations-Slave (SPS-SynS, Sim Syn-S) die Kommuni- kation zwischen Sim-Programm und Sim. -Master übernimmt.  a simulation slave (PLC-SynS, Sim Syn-S) takes over the communication between Sim-program and Sim. -Master.
Vorrichtung zur Verwendung als Simulations-Master (Syn M) , Device for use as a simulation master (Syn M),
mit einem Empfänger zum Empfangen von Mitteilungen von einem Simulations- und/oder Emulationsprogramm (SPS-E, Sim) enthaltend Simulations-Daten (ID) und/oder lokalen Zeitinformationen (LT)  with a receiver for receiving messages from a simulation and / or emulation program (PLC-E, Sim) containing simulation data (ID) and / or local time information (LT)
mit einem Rechenmittel zum Ermitteln einer externen Zeit (ET) ,  with a computing means for determining an external time (ET),
mit einem Speicher zum Sammeln der empfangenen enthaltend Simulations-Daten und/oder lokalen Zeitinformationen (LT)  with a memory for collecting the received containing simulation data and / or local time information (LT)
mit einem Sender zum zeitverzögerten Senden von Mitteilungen an das zumindest eine Simulations- und/oder Emu¬ lationsprogramm (SPS-E, Sim) enthaltend Simulations- Daten (OD) und/oder lokalen Zeitinformationen (ET) mit einem Zeitstempel. with a transmitter for the time-delayed transmission of messages to the at least one simulation and / or emu ¬ lationsprogramm (PLC-E, Sim) containing simulation data (OD) and / or local time information (ET) with a time stamp.
13. Vorrichtung zur Verwendung als Simulations-Slave (Sim SynS, SPS-SynS) 13. Device for use as a simulation slave (Sim SynS, SPS-SynS)
mit einem Sender zum Senden von Mitteilungen an einen Simulations-Master (Syn-M) enthaltend Simulations-Daten (5) und/oder lokalen Zeitinformationen (1)  with a transmitter for sending messages to a simulation master (Syn-M) containing simulation data (5) and / or local time information (1)
mit einem Empfänger zum Empfangen von Mitteilungen enthaltende externen Zeitinformationen (lb) von einem Simulations-Master, (SynM)  external time information (lb) from a simulation master containing a receiver for receiving messages, (SynM)
mit einem Sender zum Senden von Mitteilungen an ein Simulations- oder Emulationsprogramm (SPS-E, Sim) , enthal- tend eine Startnachricht (6) oder Simulations-Daten (5c) mit einem Empfänger zum Empfangen von Mitteilungen von dem das zumindest eine Simulations- und/oder Emulations¬ programm (SPS-E, Sim) enthaltend Simulations-Daten (7, 4 ) , und with a transmitter for sending messages to a simulation or emulation program (PLC-E, Sim), tend a start message (6) or simulation data (5c) having a receiver for receiving messages from the at least one simulation and / or emulation ¬ program (SPS-E, SIM) containing simulation data (7, 4), and
mit einer Aus führungseinheit zur Bestimmung der lokalen Zeitinformationen (5d, 8) mit einem Zeitstempel. with an execution unit for determining the local time information (5d, 8) with a time stamp.
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