HiLAS-VT

Hardware-in-the-Loop-Simulationen für den Entwurf von Automatisierungssystemen für Verdichter- und Turbinenanlagen – Methodik, Werkzeuge und prototypische Applikation

Kurztitel: HiLAS-VT

Kurzbeschreibung:

Der Entwurf von Automatisierungssystemen für verfahrenstechnische Anlagen beginnt bereits in der ersten Planungsphase. Die folgenden Projektphasen (Ausführungsplanung und Errichtung) erfolgen dagegen in der Regel sequentiell. Das heißt, dass das zuvor entworfene Automatisierungssystem erst in der Inbetriebnahmephase getestet werden kann. Wenn bei dieser Inbetriebnahme Fehler auftreten, können vereinbarte Liefertermin oftmals nicht mehr eingehalten werden. Hohe Kosten sind dann die Folge.

Um technische Steuerungen bereits in der Produkt- bzw. Anlagenplanung unabhängig von physikalischen Komponenten auf Fehler testen zu können, hat sich im Bereich der Automobilindustrie die Hardware in the Loop (HiL) Technologie durchgesetzt.

Dabei wird ein physikalisches System mittels eines digitalen Echtzeitrechensystems nachgebildet. Dieses System generiert (beinahe) identische Signale zu den Sensoren des realen physikalischen Systems. Darüber hinaus werden auch die Aktoren des Systems nachgebildet, was eine Steuerung des simulierten Systems erlaubt. Über physikalische Signalschnittstellen wird die zu testende Steuerung (Device Under Test - DUT) im Rahmen einer HiL Simulation mit dem Echtzeitrechensystem verbunden.

Das technische Verhalten einer DUT kann mittels einer HiL Simulation auch in den Randbereichen der Spezifikation reproduzierbar getestet werden. Um die Funktionalität der Steuerung auch in Fehlerszenarien wie Sensorausfall oder Anlagendefekt zu überprüfen werden so genannte Testfälle erstellt. Ohne HiL Simulation könnten solche Test nicht durchgeführt werden, da eine Zerstörung der realen Anlage zu Testzwecken in der Regel nicht möglich ist.

Die Vorteile der HiL Simulation in verfahrenstechnischen Anlagen sind vielfältig:

  • Alle möglichen Fehlerszenarien des laufenden Betriebs können geprüft werden
  • Fehler in der Steuerlogik können bereits von der Inbetriebnahme und parallel zur Anlagenentwicklung identifiziert werden.
  • Durch weniger (versteckte) Fehler verbessert sich die Produktsicherheit (z.B. im pharmazeutischen Bereich).
  • Das Design der physikalischen Anlage kann durch Vorliegen des Anlagenmodells hinsichtlich der Parameter optimiert werden. Dadurch können Betriebskosten reduziert werden.
  • Im aktiven Anlagenbetrieb können Anlagenmodelle zur Fehlererkennung (z.B. bei Verschleiß) weiter genutzt werden.

In der Automatisierung von verfahrenstechnischen Anlagen sind HiL Simulationen trotz ihrer vielfältigen Vorteile noch immer die Ausnahme. Als Grund dafür werden oftmals hohe Kosten bei der Modellerstellung, ein unklarer Workflow in Verbindung mit den verwendeten Automatisierungssystemen oder ein zu schlechtes Angebot an geeigneter Software angeführt.

Das Ziel des Projektes ist es ein Vorgehensmodell speziell für die Verfahrenstechnik zu schaffen. Dabei soll geprüft werden in welcher Form die in der Verfahrenstechnik üblichen technischen Dokumente für eine aufwandsreduzierte Modellerstellung genutzt werden können. Darüber hinaus enthält das Vorgehensmodell Komponenten zur Anlagenmodellierung auf physikalischer Ebene (so genannte akausale Modellierung). Dadurch wird der Prozess der Modellerstellung sehr intuitiv.

Ein modular aufgebauter Entwicklungseditor, welcher im Projekt entwickelt wird, unterstützt den Automatisierungsingenieur bei der Umsetzung des Vorgehensmodells. Dadurch soll ein bestmöglicher Zugang zu HiL Simulationen in der Verfahrenstechnik sichergestellt werden. In der ersten prototypischen Umsetzung des Entwicklungseditors ist dieser noch auf die Simulation von Verdichtern und Turbinen zugeschnitten.

Darüber hinaus werden häufig auftretende Komponenten der Verfahrenstechnik modelliert und verifiziert. 

Projektleiter: Prof. Dr.-Ing. Jens Jäkel

Mitarbeiter: M.Sc. Franz Schönberg, Dipl.-Ing. (FH) Marcel Nawrath

Laufzeit: 03/2013 - 04/2016

Kooperation: AviComp Cotrols GmbH, Leipzig; Actemium Controlmatic GmbH, Großkugel

Förderung: BMBF

Veröffentlichungen:

[1] F. Schönberg, M. Nawrath, J. Jäkel: Simulation in der Fluidverfahrenstechnik – Virtuelle Inbetriebnahme in einer heterogenen Softwarelandschaft, in: Proc. ASIM 2014 – 22. Symposium Simulationstechnik, Berlin, 3.-5.9.2014

[2] F. Schönberg, M. Nawrath, R. Schulze, J. Jäkel: HiL in der Verfahrenstechnik - Werkzeugkette für die Modellbildung und Simulation, in: Proc. AUTOMATION 2015, 11.-12.6.2015, Baden-Baden