Nyheder

Design-udfordringer med cyber-fysiske systemer

Med co-simulering af det fysiske domæne og det diskrete computerdomæne bringer MAN Energy Solutions de store motorer tættere på udvikleren.

Cyber- fysiske systemer har potentialet til at overgå det 20. århundredes IT-revolution. Fremtidens indlejrede systemer kommer i stigende grad til at integrere computerbaserede og fysiske processer i såkaldte cyber-fysiske systemer. I sådanne er distribuerede indlejrede computer-enheder forbundet via netværk og kontrollerer/monitorerer til et fysisk anlæg. De kan have applikationer indenfor intelligente fabrikker, medicinsk udstyr og systemer med høj tillidsgrad f.eks robotkirurgi, trafikstyring og -sikkerhed, avancerede automobile og luftfartssystemer, kritisk infrastruktur fx el-nettet, og vandressourcer, samt mange flere.

Det er nemt at se anvendelsen af de overnævnte applikationer, og den kæmpe værdi de vil skabe. Imidlertid er der markante udfordringer ift., hvordan vi i dag udvikler netværksbaseret cyber-fysiske systemer. De skal løses, før de store fremskridt, som vi forudser, kan indfries.

FUNDAMENTALE DOMÆNE FORSKELLE
Udviklingsprocessen af fysiske komponenter, adskiller sig fundamentalt fra den objektorienterede udvikling af software til computer-enhederne. En af de store udfordringer ved udviklingen af cyber-fysiske systemer, er den ulineære interaktion mellem computerenheder i det diskrete domæne, og de fysiske processer i kontinuert domæne. Specialiserede værktøjer til modellering og simulering inden for hvert domæne, har markant optimeret den model baserede udvikling af både diskrete- og kontinuere systemer, men kompleksiteten af cyber-fysiske systemer gør imidlertid, at abstraktionsniveauet for modellering og simulering bliver nødt til at forene begge domæner, for at realisere systemernes fulde potentiale.

Software simulatoren er i stand til at samle alle de distribuerede enheder og deres netværk i en enkelt tidslig kontrolleret og deterministisk simulering Nicolai Pedersen, Research Engineer, Man Energy Solutions

MULTI-DOMÆNE SIMULERINGS VÆRKTØJ ELLER CO-SIMULERINGS STANDARD
Co-simulering og co-modellering er teknologier, der har potentiale til at forene udviklingen af fysiske og computerbaserede processer. En model i co-modellering beskriver, både de fysiske og computer baserede komponenter i et forenet modelleringssprog, og hele systemet simuleres som en enkelt enhed. Selvom co-modellering har mange styrker, er det praktisk talt umuligt at finde et enkelt modellerings sprog, der kan udtrykke hvert domænes særlige forhold og begrænsninger. I co-simulering er det sammenkoblede system blevet opdelt i delsystemer, som løses distribueret ved anvendelse af flere specialiserede værktøjer. Co-simulering gør det derfor muligt, for domæne eksperter, at arbejde i domæne-specifikke værktøjer, og samtidig have mulighed for en holistisk simulering, af det fulde cyber-fysiske system.

Der findes flere multi-domæne simulerings værktøjer, som er i stand til, både at co-modellere og co-simulere. Her bør især MATLAB/Simulink og Ptolemy II fremhæves. Disse værktøjer gør det muligt at modellere både diskrete og kontinuære systemer, samt forbinde del-systemer gennem co-simuleringens grænseflader. En uhensigtsmæssighed ved denne løsning er, at man binder sig til et bestemt værktøj, hvilket kan være et problem, især i store globale organisationer, eller hvis der samarbejdes med flere underleverandører. En løsning, som ikke medfører afhængighed af værktøjet, er en standard for co-simulering. En standard som i de seneste år er blevet bredt accepteret i mange forskellige industrier er Functional Mockup Interface – også kaldet FMI. FMI blev oprindeligt udviklet til automobil industrien, med det formål, at forbedre samarbejdet med underleverandører. FMI består af en software grænseflade, (API) som skal implementeres, i den simulator, man ønsker co-simuleret, samt en XML struktur, der beskriver, hvordan modellen skal interagere med resten af den holistiske simulering. Ved hjælp af FMI er det muligt, at co-simulere del-systemer fra et hvilket som helst værktøj, der overholder standarden.

FMI CO-SIMULATION STANDARDEN FORBINDER MODELLER AF SOFTWARE OG FYSISKE KOMPONENTER FRA FORSKELLIGE VÆRKTØJER OG DELTAGERE.

Foto:Nicolai Pedersen, Research Engineer Man Energy Solutions

CO-SIMULERING HOS MAN ENERGY SOLUTIONS
Hos MAN Energy Solutions udvikles to-takts lavhastigheds motorer og kontrolsystemer til fremdrift af skibe – eller til el-produktion på kraftværker -verden over. Kontrolsystemet er distribueret, og kommunikerer internt via netværk – og med motoren gennem sensorer og aktuatorer, hvilket gør det til et cyber-fysisk system. Grundet udfordringerne, som nævnt ovenfor, er det svært at forene udviklingen af den fysiske motor med den software, der skal monitorere og styre motoren. Når fysiske komponenter udvikles, bliver en forsimplet version af kontrolsystemets dynamik anvendt – og omvendt. De seneste års øget fokus på motor performance herunder især forurening, har medført en stigende kompleksitet af hele systemet og mængden af distribuerede enheder. Det er derfor blevet relevant at optimere udviklingsprocessen og værktøjer.

Til at simulere det distribuerede kontrol system, er en ny software simulator for nylig blevet udviklet hos MAN Energy Solutions. Software simulatoren er i stand til at samle alle de distribuerede enheder og deres netværk i en enkelt tidslig kontrolleret og deterministisk simulering. Simulatoren gør det muligt at verificere kontrolsystemets funktionalitet og net<værkskommunikationen tidligt i udviklingsfasen. Det kan ske uden avanceret testopstillinger på udviklernes egen PC. Ved at implementere FMI standarden i den nye softwaresimulator, er det blevet muligt, at co-simulere hele kontrolsystemet sammen med en high fidelity motormodel, udtrykt i simulerings værktøjer, designet til kontinuerte systemer. Derudover vil det også være muligt, at co-simulere kontrolsystemet og motormodellen, sammen med f.eks. modeller af skibe,dynamik, bølgegang eller turbolader, leveret af andre afdelinger. Det kan også være med underleverandører, simuleret i det værktøj de ønsker, som illustreret på Figuren.

OPTIMERING AF VALIDERINGSPROCESSEN
Verifikation og validering på testopstillinger af hardware og motor bærer en stor del af udviklingsudgifterne hos MAN Energy Solutions. Den nye software simulator gør det muligt at simulere hele det distribuerede kontrol system og dets netværk på en enkelt PC. Med simulatoren kan udviklere derfor verificere størstedelen af deres design, inden de behøver, at foretage test på den begrænsede mængde af hardware opstillinger. Ydermere gør den holistiske tilgang, med co-simuleringen, det muligt, at analysere og validere det samlede system, uden tilgang til de dyre motor testopstillinger. Udover at optimere validerings processen af systemet, gør co-simulering også udviklerne i stand til, at arbejde med de mest avancerede modellerings- og simulerings værktøjer, uden at gå på kompromis med samarbejdet mellem afdelinger og underleverandører.

MAN Energy Solutions logo

Nicolai Pedersen, Research Engineer, MAN Energy Solutions
Skrevet af:

Nicolai Pedersen, Research Engineer, MAN Energy Solutions

Relateret