TU Braunschweig

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Verteiltes Engineering komplexer Automatisierungs­­systeme

Projektbearbeiter: Stefan König, Gert Bikker


Motivation

Der Entwicklungsprozeß komplexer Automatisierungssysteme ist einerseits durch die steigende Komplexität der Problemstellungen und andererseits durch die allgemeinen Forderung nach Kostenreduktion und Verkürzung der Entwicklungszeit bei gleichzeitiger Steigerung der Produktqualität gekennzeichnet.


Ein zentraler Aspekt des Systementwurfs besteht in der rechnergestützten Simulation, die in unterschiedlichen Phasen der Produktentstehung Bedeutung gewonnen und entsprechende Werkzeugunterstützung zur Verfügung hat. Angesichts der Komplexität heutiger Produkte und der hohen Anforderungen des Marktes müssen zunehmend weiterführende Konzepte betrachtet werden, die einerseits einen rechnergestützten Entwurf über mehrere Entwicklungsphasen hinweg ermöglichen und andererseits die Kooperation mehrerer räumlich verteilter Entwickler verbessern.

Abbildung 1: Virtuelles Engineering ? der Engineeringprozeß in Raum, Zeit und Organisationsstruktur

Obwohl im Bereich des Concurrent Engineering große Fortschritte gemacht wurden und in einigen Branchen, wie z.B. der Softwareindustrie, entsprechende Konzepte partiell umgesetzt werden, ist insbesondere für den Entwurf komplexer Automatisierungssysteme die Frage "How do we connect people, their models and their tools?" nicht umfassend beantwortet. Bis heute existieren auf diesem Sektor keine umfassenden Konzepte und Software-Lösungen,


  • die es Entwicklern ermöglichen, gleichzeitig und räumlich verteilt an einem Problem zu arbeiten,

  • die eine Integrität von Modellen und Daten über mehrere Entwicklungsstadien (Spezifikation, Modellbildung, Simulation, Implementierung, Validation) hinweg sicherstellen,

  • die eine umfassende Simulationsumgebung bereitstellen, die die Kombination unterschiedlicher diskreter und kontinuierlicher Beschreibungsmittel sowie unterschiedliche Sichten auf das Modell ermöglicht und ein hohes Maß an Wiederverwendbarkeit bestehender Module gewährleistet.

Lösungsansatz und Zielsetzung

Die Tatsache, daß heutige CAE-Werkzeuge eine unzureichende Unterstützung bei der Modellierung und Simulation komplexer hybrider Syteme bieten, legt den Ansatz nahe, einen Werkzeugverbund zu schaffen, der die Stärken der beteiligten Werkzeuge synergetisch nutzt. Zu diesem Zweck wird am Institut für Reglungs- und Automatisierungstechnik der TU Braunschweig ein Rahmen (engl. Framework) entwickelt, der eine Kooperationsplattform für unterschiedliche sowohl kommerzielle als auch eigene CAE-Werkzeuge, wie z.B. Matlab Simulink/Stateflow, Artifex, Visual State, Statemate, HyNet, darstellt.

Wie in Abbildung 2 dargestellt, ermöglicht das ITC Framework (ITC = inter tool collaboration) eine Kapselung unterschiedlicher Simulationsmodule im Sinne der Objektorientierung. Die Objekte besitzen ihre eigenen Attibute und Daten und kommunizieren durch Operationen miteinander. Des weiteren können sie frei über ein Netzwerk verteilt sein. Gemeinsam bilden sie ein verteiltes Modell.

Auf diese Weise wird eine werkzeugübergreifende Kompatibilität und somit eine erhöhte Wiederverwendbarkeit bestehender Module erzielt. Außerdem können Simulationsaufwand und ?genauigkeit durch den Austausch von Objekten identischer Funktionalität und unterschiedlichen Komplexitätsgrades schnell und einfach skaliert werden. Bei geeigneter Partitionierung in lose vernetzte (hoch granulare) Module ist darüber hinaus eine Leistungsoptimierung der Simulationsrechnung durch Lastverteilung innerhalb eines Netzwerks möglich. Die offene Architektur des ITC Framework ermöglicht die Integration weiterer CAE-Werkzeuge. Die Transparenz im Entwicklungsprozeß wird erhöht, in sofern als Modellbildung, Simulation, und Implementierung verschmelzen und die Einbindung von implementierten Modulen (Hard- und Software) zu Validationszwecken ermöglicht wird.

Abbildung 2: Objektorientierung auf Werkzeugebene

Umsetzung

Abbildung 3 skizziert die Architektur des ITC Frameworks, die auf dem Client/Server-Prinzip basiert. Instanzen der unterschiedlichen Simulationswerkzeuge, in denen die jeweiligen Simulationsmodule enthalten sind, stellen verteilte Objekte dar, die als Clients über einen gemeinsamen Server kooperieren. Der Server übernimmt unter anderem Aufgaben zur Bereitstellung und Verwaltung der Kommunikationskanäle sowie zur Synchronisation und Koordination der Objekte.

Abbildung 3: Architektur des ITC Frameworks

Abbildung 4: Struktur einer verteilten Simulation

Zur Implementierung eines verteilten Client/Server-Systems stehen mehrere Kommunikationsstandards, wie DCOM, PVM, CORBA, TCP/IP, zur Verfügung. CORBA (common object request broker architecture) wurde angesichts der Vorteile bezüglich Standardisierung, Transparenz, Plattformunabhängigkeit und Leistungsfähigkeit ausgewählt.

Anwendung

Das ITC-Framework kommt bei der Bearbeitung des Projekts Bahn 2050 zur Validation eines innovativen Betriebskonzeptes im Güterverkehr zum Einsatz. Anläßlich der Hannover Messe 2000, bei der die Institute als Mitglieder des Zentrums für Verkehr Braunschweig (ZVB) vertreten waren, wurde die Hardware-in-the-Loop-Anbindung sowie eine Demonstration des grundlegenden Betriebskonzeptes anhand einer Lehmann-Groß-Bahn (Maßstab 1:22,5) veranschaulicht.


http://www.iva.ing.tu-bs.de?iT=4_519&projectId=19