СПОСОБ РАЗРАБОТКИ И СИМУЛЯЦИИ СИСТЕМЫ АВТОМАТИЗАЦИИ ПОСРЕДСТВОМ ЦИФРОВЫХ ДВОЙНИКОВ Российский патент 2023 года по МПК G05B19/418 G07C5/08 

Изобретение относится к способу разработки системы автоматизации для управления процессом в технологической установке, причем система автоматизации включает в себя множество компонентов аппаратных средств для выполнения функций индикации, обслуживания и автоматизации, соединенных друг с другом посредством коммуникационных систем. Изобретение также относится к системе автоматизации, выполненной с возможностью осуществления способа.

Так называемые „цифровые двойники“ известны из технологии производства. При этом речь идет о компьютерных образах или представителях объекта из реального мира. Согласно Gabler Wirtschaftslexikon (https://wirtschaftslexikon.gabler.de/definition/digitaler-zwilling-54371), цифровой двойник определяется как виртуальная модель, например, процесса, продукта или услуги, которая соединяет реальный и виртуальный мир. Цифровые двойники строятся из данных и алгоритмов и применяют реальные данные установленных датчиков, которые представляют, например, рабочие условия или положения машин. Цифровые двойники воспроизводят установки по всему жизненному циклу (проектирование, изготовление, эксплуатация и переработка). Уже во время планирования инженеры могут использовать модели симуляции (моделирования), чтобы оптимизировать процессы. Если установка эксплуатируется, подобные модели симуляции могут применяться, чтобы дополнительно оптимизировать процессы и соответственно изменять производство.

Для создания цифрового двойника требуются различные элементы. Как правило, ими являются реально отображаемый объект, виртуальное пространство представления и данные для условий окружающей среды. Двойники создаются посредством собранных данных реального времени реального объекта и описывающих их алгоритмов и отображаются в цифровом пространстве представления. Часто применяется модульная концепция, при которой цифровой двойник составляется из многих отдельных цифровых двойников. (https://www.bigdata-insider.de/was-ist-ein-digitaler-zwilling-a-728547/).

Также в рамках автоматизации технологических процессов возникают многочисленные применения для основанных на компьютерной поддержке образов реальных объектов.

При пуске в эксплуатацию технологической установки обычно действуют так, что разработка (engineering - инжиниринг, проектирование) установки дополняется симуляцией или эмуляцией. Прежде чем программы автоматизации и отображения установки будут загружены в реальную и действующую установку, они должны быть соответствующим образом протестированы и, при необходимости, также скорректированы. Для этого обычно обращаются к цифровому двойнику - т.е. программы автоматизации, например, загружаются в эмулированный сервер автоматизации виртуальной теневой (скрытой) установки и тестируются. Для того чтобы виртуализировать полевой уровень, используется симулятор установки, который обрабатывает модели полевого уровня и обменивается входными данными процесса и выходными данными процесса с виртуальными средствами автоматизации. При этом симуляция/эмуляция происходит полностью отдельно (с развязкой) от разработки системы автоматизации, что часто является очень невыгодным: для изменений и настроек в программах автоматизации и отображениях установки необходимо выполнять переключения туда и обратно между симуляцией и разработкой. Из-за этого могут легко возникнуть несогласованности или ошибки параметризации в симуляции. Они могут также создавать угрозу для реальной установки, если, например, IP-адреса применяемых посредством симуляции виртуальных средств автоматизации пересекаются с адресами средств автоматизации реальной установки, если и те и другие находятся в той же самой сети.

Поэтому в основе изобретения лежит задача предложить гибкий способ разработки (инжиниринга) системы автоматизации технической установки, который позволяет осуществлять коэксистентную (сосуществующую) симуляцию, эмуляцию или виртуализацию любого количества компонентов системы автоматизации как интегральную составную часть разработки конфигурации аппаратных средств системы автоматизации. Кроме того, должна быть предложена система автоматизации для технической установки, особенно пригодная для осуществления упомянутого способа.

Эта задача решается способом с признаками пункта 1 формулы изобретения. Кроме того, задача решается системой автоматизации согласно пункту 11 формулы изобретения. Предпочтительные варианты осуществления приведены в зависимых пунктах формулы изобретения.

В связи с симуляциями речь идет о подлежащей симуляции системе и о симуляторе в качестве воплощения или реализации модели симуляции. Модель симуляции представляет собой, таким образом, абстракцию подлежащей симуляции системы по структуре, функции и поведению. Эмулятор, напротив, пытается всю целевую систему отобразить соответственно оригиналу настолько точно, насколько это возможно. Отображаемая система содержит те же данные, выполняет сопоставимые программы и достигает в возможной степени подобные результаты по отношению к определенным постановкам вопросов, как реальная целевая система. В качестве виртуализации в информатике обозначается отображение (воссоздание) аппаратного или программного объекта посредством подобного объекта того же типа с помощью слоя абстракции. Тем самым виртуальные приборы могут создаваться как эмулированные аппаратные средства или программное обеспечение. Одной возможностью, чтобы реализовать виртуализацию объекта, является виртуальная машина (VMware).

Таким образом, предмет изобретения состоит в том, чтобы использовать такие виртуальные приборы как эмулированные компоненты аппаратных средств системы автоматизации (эмулированные средства автоматизации, серверы станции оператора и т.д.) при конфигурировании аппаратных средств во время разработки, чтобы предпочтительно параллельно разработке реальных компонентов аппаратных средств достигать различных стадий и вариантов цифровых двойников для гибкого и поэтапного ввода в действие программ автоматизации и отображений установки.

Соответствующий изобретению способ разработки системы автоматизации для управления процессом в технической установке, которая включает в себя множество компонентов аппаратных средств для выполнения функций индикации, обслуживания и автоматизации, причем эти компоненты соединены друг с другом через коммуникационные системы, отличается тем, что независимо от эксплуатации установки, параллельно разработке по меньшей мере одного реального компонента аппаратных средств, этот компонент также может виртуализоваться, генерироваться как цифровой двойник, инстанциировать (создать экземпляр класса) и логически связываться. Подобным образом сгенерированные виртуальные компоненты могут (любым образом) конфигурироваться и оптимизироваться и затем параллельно реальным компонентам загружаться на серверы системы автоматизации, где выполняется соответствующая функция.

Преимущества использования виртуальных компонентов при разработке являются разнообразными. В частности, возможен коэксистентный, надежный, гибкий и поэтапный ввод в действие программ автоматизации и отображений установки. Поддерживается параллельная с эксплуатацией оптимизация на основе цифрового двойника. Как реальная установка, так и цифровой (частичный) двойник может постоянно конфигурироваться и контролироваться посредством интегрированной разработки (инжиниринга).

Значительное преимущество изобретения состоит в том, что способ может осуществляться „независимо от эксплуатации установки“. Это означает, что уже перед пуском в эксплуатацию могут генерироваться виртуальные компоненты. Одновременно и при пуске в эксплуатацию (см. фиг. 2) или даже во время текущей эксплуатации возможна виртуализация. Это обеспечивает проектировщику технической установки большую гибкость.

Виртуальный двойник или виртуальные компоненты могут, например, генерироваться таким образом, что проектировщик кликает в библиотеке приборов сервера разработки на желательный объект. Тем самым генерируется экземпляр, который представляет нынешнее (текущее) состояние компонента аппаратных средств. Виртуальному компоненту при этом также назначается собственный IP-адрес. Затем устанавливается логическое соединение. Оно определяет коммуникационную связь между соответствующими компонентами (здесь приборами). Если определяется логическое соединение между средством автоматизации и сервером станции оператора, то и во время работы могут передаваться данные процесса. Однако прежде чем программы автоматизации и отображения установки будут загружены в реальную и действующую установку, они могут теперь в виртуальном компоненте любым образом конфигурироваться, тестироваться и, при необходимости, также корректироваться. Затем оптимизированные таким образом виртуальные компоненты параллельно с реальными компонентами загружаются на серверы системы автоматизации и выполняются. Соответствующий изобретению способ предпочтительно обеспечивает возможность сосуществования обоих отражений объекта как реального компонента и виртуального компонента.

В особенно предпочтительном варианте осуществления, виртуальные компоненты могут любым образом распределяться на серверы системы автоматизации. Это распределение может конфигурироваться гибким образом. В разработке аппаратных средств может, таким образом, определяться или устанавливаться, на каких серверах системы автоматизации должны быть локализованы какие из виртуальных приборов. Таким образом можно оптимально использовать и/или гибко вводить в действие объемы памяти серверов системы автоматизации.

Другие важное преимущество изобретения состоит в том, что количество виртуальных компонентов может свободно выбираться. Тем самым становится возможным масштабируемое решение. За счет масштабируемости этого подхода к решению возможна также „многопользовательская“ симуляция, так как почти каждый проектировщик может конфигурировать и использовать собственного приспособленного для его теста цифрового (частичного) двойника.

В другом предпочтительном варианте осуществления, логические соединения между виртуальными компонентами и между виртуальными и реальными компонентами могут гибко конфигурироваться. Тем самым могут быть реализованы любые варианты разработки. Посредством установления логических соединений, кроме того, также можно точно проектировать, какие (виртуальные) приборы могут осуществлять коммуникацию с какими (виртуальными) приборами.

Во время разработки можно предпочтительно переключаться между реальными компонентами и виртуальными компонентами, чтобы предпринимать изменения. В особенно предпочтительном варианте, переключение может осуществляться даже плавно. Плавно здесь означает, что переключение может осуществляться еще в пределах одного цикла системы автоматизации.

Предпочтительным образом, виртуальными компонентами можно управлять в базе данных. Это позволяет, например, пользователю базы данных дополнительно изменять или модифицировать компоненты другого пользователя. Таким способом разработка упрощается и может, при обстоятельствах, также ускоряться.

В другом варианте осуществления, для всех виртуальных компонентов (как и при реальных компонентах) поддерживаются назначения к технологической иерархии. Путем так называемых назначений в технологической иерархии определяется, какие части установки автоматизируются посредством каких приборов - если, например, структурный каталог «Teilanlag1» соотносится с AS1 и OS1, то вложенные глубже в структурном каталоге программы автоматизации (планы функций) автоматически соотносятся с AS1 и соответствующие отображения установки с OS1 и, следовательно, также туда загружаются и выполняются. Частичной установке в структурном каталоге могут сначала для поэтапного пуска в эксплуатацию (ввода в действие) назначаться только виртуальные компоненты. Только если функция программ автоматизации и отображений установки была обеспечена посредством симуляции, то тот же самый структурный каталог с частичной установкой может соотноситься с реальными приборами. Кроме того, структурные каталоги частичных установок (естественно, также мелко разделенных частей установки, как, например, технических устройств и даже измерительных позиций) в технологической иерархии могут также соотноситься с дублированными и параллельными виртуальными компонентами, чтобы можно было реализовать работающий параллельно реальной установке цифровой двойник (например, для оптимизации режимов работы).

С виртуальными компонентами предпочтительным образом могут быть соотнесены документы автоматизации, такие как планы функций или отображения установки для ввода в действие, прежде чем они загружаются на сервер системы автоматизации. Виртуальные приборы могут в ходе поэтапного ввода в действие взаимодействовать, работая параллельно, сначала только с виртуальными, позже также с реальными приборами. Для этого реконфигурируют логические соединения между приборами. (Пример: Для ввода в действие нового отображения (образа) установки, виртуальная станция оператора, с целью ускорения отображения установки, взаимодействует сначала с виртуальным средством автоматизации - чтобы, в том числе, избежать ошибочных обслуживаний. На следующем этапе, виртуальная станция оператора взаимодействует с реальным средством автоматизации, чтобы предусмотренное для ввода в действие отображение установки ускорять с помощью реальных данных процесса. На последнем этапе вводимое в действие отображение установки, наконец, назначается реальной станции оператора).

Ввод в действие различных документов автоматизации может предпочтительно осуществляться параллельно несколькими проектировщиками и на различных и/или имеющихся во множестве виртуальных компонентах. Это также позволяет осуществлять большую масштабируемость.

Далее изобретение, а также его варианты осуществления более подробно описываются и поясняются на основе чертежей, на которых изображен пример выполнения изобретения.

На чертежах показано следующее:

Фиг. 1 - функциональная схема системы автоматизации для управления процессом с обозначенной архитектурой программного обеспечения для реализации соответствующего изобретению способа в форме выполнения параллельно работающей оптимизации.

Фиг. 2 - другая функциональная схема системы автоматизации для управления процессом с обозначенной архитектурой программного обеспечения для реализации соответствующего изобретению способа в форме выполнения поэтапного ввода в действие.

Фиг. 1 показывает в упрощенном схематичном представлении пример для системы A автоматизации, посредством которой чаще всего технологический процесс в технической установке, например, технической установке изготовления, производства или также генерации энергии управляется, регулируется и контролируется. Система A автоматизации имеет множество присущих процессу компонентов (полевых приборов, конструктивных узлов, систем I/O, контроллеров), которые на полевом уровне, то есть в процессе, воспринимают предусмотренные функции измерения, управления и регулирования. Полевые приборы посредством коммуникационной системы (здесь Profibus TB) обмениваются релевантными процессу, функции и/или приборам данными друг с другом и с вышележащими уровнями управления и руководства. Коммуникационная система полевого уровня соединена с множеством приборов автоматизации AS, например, контроллеров с программируемой памятью (SPS). Приборы автоматизации AS1, AS2 в свою очередь через дополнительную коммуникационную систему, шину установки AB, которая часто выполнена как промышленный Ethernet, соединены с вышестоящей вычислительной системой. Последняя содержит в представленном примере выполнения систему обслуживания и наблюдения, которая состоит из нескольких серверов станции оператора OS (сокращенно, сервер OS, OS1, OS2 …) и по меньшей мере одного клиентского вычислителя. OS клиента, OSC, обменивается через дополнительную шинную систему TB, которая обозначена здесь как шина терминала TB, информацией и данными с OS-серверами. Кроме того, система автоматизации может еще включать в себя другие серверы. Изображенная на фиг. 1 система автоматизации выполнена таким образом, что она содержит дополнительный компонент, рабочую станцию разработки ES. Она представляет собой вычислитель или сервер, который подключен для передачи данных к коммуникационным системам AB и TB и может также получать доступ к ним через клиента системы обслуживания и наблюдения. При необходимости, могут еще дополнительные вычислители или серверы S соединяться с коммуникационными системами AB и TB.

На фиг. 1, наряду с частями вышеописанной конфигурации аппаратных средств системы автоматизации, также изображены части архитектуры программного обеспечения для реализации соответствующего изобретению способа в упрощенной форме.

В соответствии с изобретением, в сервере разработки ES изображены выполненные как элементы программного обеспечения или компоненты программного обеспечения виртуальные компоненты реальной вышеописанной конфигурации аппаратных средств.

Фиг. 1 показывает в качестве примера функциональную диаграмму сосуществующего цифрового двойника для параллельно работающей оптимизации. Для реальных приборов (сервер станции оператора OS1, OS2, приборы AS1, AS2… автоматизации) существуют соответствующие виртуальные эквиваленты, виртуальные компоненты: VOS1, VOS2, VAS1, VAS2. Логические соединения между реальными компонентами символизируются жирными черными линиями. Логические соединения между виртуальными компонентами символизируются пунктирными линиями. На основе логических соединений, клиент может гибко переключаться между реальной установкой и цифровым двойником. Как реальная установка, так и цифровой двойник конфигурируется и контролируется посредством интегрированной разработки. Полевой уровень виртуализируется посредством симулятора установки SIMIT.

Путем применения соответствующих изобретению мероприятий, становится возможным при разработке планировать виртуальные средства автоматизации и серверы станции оператора как сосуществующие, так что во время выполнения в клиенте станции оператора может выполняться переключение между реальными и виртуальными частями установки. Если, например, оператор хотел бы оптимизировать настройку регулятора, то он может тестировать ее параллельно в действии на виртуальной части установки, прежде чем она вводится в реальную часть установки.

Фиг. 2 показывает в качестве примера функциональную диаграмму сосуществующего цифрового двойника для поэтапного ввода в действие. В этом примере выполнения, для некоторых реальных компонентов (сервер станции оператора OS1 и прибор AS1 автоматизации) на сервере S существуют соответствующие виртуальные эквиваленты (VOS1 и VAS1) с симулятором установки SIMIT для виртуализации полевого уровня. Виртуальные компоненты VAS1, VOS1 и SIMIT через изображенное пунктиром логическое соединение связаны друг с другом и с клиентским вычислителем. Клиент может гибко переключаться между цифровым (частичным) двойником и разработкой реальных компонентов в сервере разработки ES. Доступ клиентского вычислителя к серверу разработки символизируется жирной черной линией. При разработке, проектировщик может на клиенте, например, выполняемую на VAS1 программу автоматизации наблюдать (отлаживать), корректировать и также заново загружать. Параллельно с этим отображения установки могут визуализироваться и тестироваться в VOS1. Если необходимы коррекции ошибок, они также могут предприниматься при разработке и снова загружаться. Если ввод в действие завершен, - как описано выше - программы автоматизации и отображения установки из виртуальных компонентов могут назначаться реальным приборам и загружаться. Как реальная установка, так и цифровой (частичный) двойник конфигурируется и контролируется посредством соответствующей изобретению интегрированной разработки.

Изобретение относится к системам автоматизации для управления технологическим процессом. Технический результат направлен на повышение контроля за соблюдением технологического процесса и снижения ошибок. Способ для разработки системы (A) автоматизации. Перед вводом в действие системы автоматизации (А) она обычно тестируется. Для каждого реального компонента (OS1, OS2, AS1, AS2) создают цифровой двойник или виртуальный компонент (VOS1, VOS2, VAS1, VAS2) загружается на сервер (ES, S), чтобы вместо реальных компонентов симулировать выполнение функции последних. Пользователь может, таким образом, во время разработки заменять различные реальные компоненты виртуальными компонентами и функции системы автоматизации контролировать или симулировать. 2 н. и 7 з.п. ф-лы, 2 ил.

1. Способ разработки системы (A) автоматизации,

содержащей соединенные друг с другом через коммуникационные системы множество компонентов (OS1, OS2, AS1, AS2, …) аппаратных средств для выполнения функций индикации, обслуживания, автоматизации и управления процессом в технической установке, включающий этапы, на которых:

параллельно или при пуске в эксплуатацию или во время текущей эксплуатации технической установки на сервере разработки осуществляют разработку по меньшей мере одного реального компонента аппаратных средств,

осуществляют разработку виртуальных компонентов (VOS1, VOS2, VAS1, VAS2,…) для по меньшей мере одного реального компонента аппаратных средств, при которой:

каждому виртуальному компоненту назначают собственный IP-адрес;

генерируют как сосуществующий цифровой двойник, который инстанциируют и логически связывают с другими виртуальными или реальными компонентами аппаратных средств,

тестируют и корректируют посредством переключения между реальными и виртуальными компонентами;

загружают на серверы (ES, S) системы (A) автоматизации и виртуализируют, причем распределяют виртуальные компоненты (VOS1, VOS2, VAS1, VAS2,…) на серверах (ES, S) системы (A) автоматизации таким образом, чтобы оптимально использовать и/или гибко вводить в действие объемы памяти серверов системы (A) автоматизации,

назначаются реальным приборам технологической установки.

2. Способ по п. 1,

отличающийся тем, что обеспечивается возможность переключения между реальными компонентами и виртуальными компонентами в течение цикла системы (A) автоматизации, чтобы предпринимать изменения.

3. Способ по п. 1 или 2,

отличающийся тем, что обеспечивается возможность конфигурирования распределения виртуальных компонентов (VOS1, VOS2, VAS1, VAS2, …) по серверам системы (A) автоматизации.

4. Способ по пп. 1, 2 или 3,

отличающийся тем, что обеспечивается возможность произвольного выбора количества виртуальных компонентов (VOS1, VOS2, VAS1, VAS2, …).

5. Способ по любому из предыдущих пунктов,

отличающийся тем, что обеспечивается возможность конфигурирования логических соединений для коммуникации как между виртуальными компонентами (VOS1, VOS2, VAS1, VAS2, …), так и между виртуальными и реальными компонентами.

6. Способ по любому из предыдущих пунктов,

отличающийся тем, что виртуальными компонентами (VOS1, VOS2, VAS1, VAS2, …) управляют в базе данных.

7. Способ по одному из предыдущих пунктов,

отличающийся тем, что виртуальные компоненты (VOS1, VOS2, VAS1, VAS2, …) распределяют по технологической иерархии, посредством чего определяют, какие части установки автоматизируются посредством каких приборов.

8. Способ по любому из предыдущих пунктов,

отличающийся тем, что для ввода в эксплуатацию виртуальным компонентам (VOS1, VOS2, VAS1, VAS2, …) назначают планы функций или отображения установки перед их загрузкой параллельно реальным компонентам (OS1, OS2, AS1, AS2, …) на серверы системы (A) автоматизации.

9. Система (A) автоматизации,

включающая в себя множество соединенных друг с другом через коммуникационные системы (TB, AB) компонентов (OS1, OS2, AS1, AS2, …) аппаратных средств для выполнения функций индикации, обслуживания, автоматизации и управления процессом в технической установке,

причем система (A) автоматизации, наряду с сервером разработки (ES) для конфигурации компонентов (OS1, OS2, AS1, AS2, …) аппаратных средств, включает в себя по меньшей мере один дополнительный сервер (S), и серверы выполнены таким образом, что обеспечивается осуществление способа по любому из пп. 1-8.