Simulation von Feldbussystemen zeigt Stabilitätsverhalten auf

Eine Toolbox mit Simulationsblöcken für den Einsatz in dem Simulationsprogramm Matlab/Simulink wurde im Wesentlichen für die Analyse von Regelkreisen in Feldbussystemen entwickelt. Insbesondere kann...

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Eine Toolbox mit Simulationsblöcken für den Einsatz in dem Simulationsprogramm Matlab/Simulink wurde im Wesentlichen für die Analyse von Regelkreisen in Feldbussystemen entwickelt. Insbesondere kann damit der Einfluss der Busauslastung auf das Stabilitätsverhalten untersucht werden. Neben diesem Anwendungsbereich können jedoch in Verbindung mit anderen Toolboxen alle Einsatzfelder von Feldbussen simulationstechnisch untersucht werden.Die Automatisierung von Anlagen basiert heutzutage auf ,,intelligenten" Geräten mit eingebauten Mikrocontrollern, die nicht mehr zentral in einem Schaltschrank lokalisiert sind, sondern in der Anlage verteilt vorliegen. Für die Steuerungsaufgaben stehen maßgeschneiderte Module zur Verfügung, die einen Großteil der Aufgaben an Ort und Stelle erledigen. Nach wie vor erfolgt ein Datenaustausch zwischen den einzelnen Teilsystemen. Anstelle von parallelen Verbindungen zu einem zentralen Automatisierungsgerät wird die Feldbustechnik eingesetzt, die zu einer gravierenden Reduzierung der Verdrahtungskosten führt. Darüber hinaus werden die Möglichkeiten zur Systemüberwachung und zur Systemerweiterung erheblich verbessert.Die Kommunikation über den Feldbus erfolgt seriell. Je nach Bustyp kann ein Busknoten (zum Beispiel ein Sensor) angesprochen werden oder aber auch selbständig auf den Feldbus zugreifen. Im Gegensatz zu parallel verdrahteten Systemen hängt jetzt jedoch die Zeit für die Übertragung der Daten von der Busauslastung ab.Zeitverzögerungen dürfen nur in engen Grenzen liegenIn vielen Anwendungen muss innerhalb einer vorgegebenen Zeit auf ein Ereignis reagiert werden. Dies setzt natürlich voraus, dass auch die Datenübertragung innerhalb vorgegebener Grenzen erfolgt. Vor allem für zyklische Busanforderungen, wie sie beispielsweise bei der Regelung auftreten, müssen Zeitverzögerungen in engen Grenzen liegen, weil sonst instabiles Regelkreisverhalten auftreten kann. Der Einfluss der Busbelastung auf das Zeitverhalten in Feldbussystemen kann nur bedingt vorab berechnet werden. In vielen Fällen handelt es sich bei den auftretenden Ereignissen um stochastische Prozesse, für die nur Verteilungen bekannt sind. Andererseits ist es natürlich außerordentlich wünschenswert, bereits bei der Systementwicklung den Einfluss von zufällig auftretenden Busanforderungen auf das Systemverhalten beurteilen zu können. Für die Entwicklung von Regelkreisen werden in solchen Fällen Simulationsexperimente durchgeführt. Dadurch können auch Extremsituationen, die in der Realität zur Zerstörung des Systems führen würden, untersucht werden. Es liegt nahe, die vorhandenen Entwurfswerkzeuge so zu erweitern, dass Feldbuseigenschaften mit in die Simulation einbezogen werden können. Ein leistungsfähiges Entwurfswerkzeug, das über umfangreiche Möglichkeiten zur Entwicklung von Simulationsmodellen und zur Visualisierung der Simulationsergebnisse verfügt, ist das Simulationsprogramm Matlab/Simulink. Dieses System wurde durch die vorgestellte Toolbox so erweitert, dass drei der in Europa verbreitetsten Feldbussysteme, nämlich der CAN-Bus, der Profibus und der Interbus-S, in die Simulation einbezogen werden können.Während bei Steuerungsaufgaben überwiegend binäre Variablen verarbeitet werden, hat man bei der Regelung im Allgemeinen kontinuierliche Größen zu berücksichtigen. Die Regelgröße wird mit einem Sensor erfasst und an den Regler weitergeleitet. Im Regler werden mit einem geeigneten Regelalgorithmus die Stellgrößen berechnet und an die Aktoren übermittelt. Das Erfassen der Messgrößen erfolgt ebenso zyklisch wie das Aufschalten der Stellgrößen. Die gemessenen Größen müssen digitalisiert werden und in geeigneter Art und Weise über den Feldbus an den Mikrocontroller, der die Regelung übernimmt, übertragen werden. Dementsprechend wird nach der Stellgrößenberechnung vom Regler ein Datentelegramm an den Aktor verschickt. Jeder Regelkreis im Feldbussystem ist mit diesen drei Knoten zu erweitern (Bild 1).Für gleichzeitig ablaufende Steuerungsaufgaben müssen außerdem digitale Eingänge und digitale Ausgänge zur Verfügung stehen.Zur Beurteilung des Zeitverhaltens müssen außer den Aktoren, den Sensoren und der Datenübertragung die dynamischen Eigenschaften der zu regelnden Anlage mit berücksichtigt werden. Die Dynamik der Regelkreise kann durch ein geeignetes mathematisches Modell analysiert werden. Das Stabilitätsverhalten wird im Wesentlichen durch die Zeitverzögerungen als Folge der Datenübertragung beeinflusst. Daher muss die Quantisierung und die Umsetzung der parallel anliegenden physikalischen Größen in serielle Datenströme für die Simulation nachgebildet werden. Datenübertragung und Systemdynamik sind gemeinsam zu untersuchen. Leistungsfähige Algorithmen für die Simulation vorhandenDie Simulation von kontinuierlichen dynamischen Systemen ist ein Problem, das intensiv bearbeitet worden ist. Es existieren leistungsfähige Algorithmen zur Lösung von Differentialgleichungssystemen. Die Ergebnisse können mit Visualisierungsprogrammen grafisch dargestellt werden. Entscheidend für den Bedienungskomfort ist eine bequeme Eingabe der mathematischen Modelle. Moderne Simulationssoftware stellt dazu Editoren für die blockorientierte Eingabe zur Verfügung. Ein Feldbustyp, der es erlaubt, flexible, verteilt automatisierte Systeme aufzubauen, ist das Multimastersystem CAN, das ursprünglich für den Automotivebereich entwickelt wurde. Im Unterschied zu anderen Feldbussystemen wird der Zugriff auf den Feldbus dadurch eindeutig geregelt, dass einzelnen Nachrichtenobjekten eine Priorität über den ,,Identifier" zugeordnet wird. Jeder Busknoten muss entscheiden, ob die Nachricht für ihn bestimmt ist oder ob er nicht betroffen ist. Neben dem Datentelegramm, in dem Informationen verschickt werden, können mit einem Remote-Telegramm Daten angefordert werden. Außer diesen beiden Telegrammtypen existieren Fehlertelegramme, die bei Systemversagen von den betroffenen Knoten verschickt werden. Die für eine Regelung wichtige Verzögerungszeit aufgrund der seriellen Datenübertragung hängt von der Übertragungsrate und von der Priorität der Nachrichten ab. Die maximale Datenübertragungsrate beträgt beim CAN-Bus bedingt durch das gewählte Buszugriffsverfahren höchstens 1 Mbit/s. Man kann ausrechnen, dass dann im ungünstigsten Fall für die höchst priore Nachricht - mit 8 Datenbytes - eine maximale Verzögerung von 260 ms beträgt. Im Allgemeinen wird es jedoch nicht möglich sein, den Regelkreisen die höchste Priorität zuzugestehen. Es muss dann untersucht werden, wie sich die zusätzliche Verzögerung durch Nachrichtenobjekte mit höherer Priorität auf das Regelkreisverhalten auswirkt. Weil Alarme und vergleichbare Nachrichten im Allgemeinen nicht vorhergesagt werden können, muss die Störung als stochastischer Prozess modelliert werden. Für das Auftreten von Nachrichtenobjekten wird dann eine bestimmte Verteilung vorgegeben. Mit ähnlichen Problemen haben auch andere Multimastersysteme, zum Beispiel der Profibus-DP, zu kämpfen. Aufgrund einer so genannten Mono-Master-Konfiguration kann allerdings die Problematik oft entschärft werden. Nachbilden der Datenströme auf dem CAN-BusWie beschrieben, muss die vorhandene Simulink-Blockbibliothek so erweitert werden, dass die Einflüsse der verschiedenen Komponenten eines Feldbussystems in den Simulationsmodellen berücksichtigt werden können. Der wichtigste Simulationsblock dient natürlich zur Nachbildung der Datenströme auf dem CAN-Bus. Dazu wird ein Telegramm aufgebaut, das der Standard-CAN Industrienorm entspricht. Es besteht aus dem Identifier, aus den maximal 8 Datenbytes und aus weiteren Informationen - dem CRC-Block - für die Datensicherung. Das so gebildete Nachrichtenobjekt wird in ein Signal umgeformt, das dem Signal in einem realen CAN-System gleicht. Aus diesem Signal werden dann die Parameter, die für die Simulation des Restsystems erforderlich sind, ermittelt. Dazu gehören insbesondere die Zeitdauer der Datenübertragung und der Zeitpunkt, zu dem die Daten zur Verfügung stehen. Neben dem Datentelegramm stehen noch Telegramme zur Nachbildung von Fehlersituationen zur Verfügung. Außerdem kann über spezielle Telegramme von einem Knoten Information von einem anderen Knoten angefordert werden. Um das Signal für die Datenübertragung erzeugen zu können, muss die Darstellung kontinuierlicher Größen in digitaler Form bekannt sein. In realen Automatisierungssystemen werden üblicherweise Analog-/Digitalwandler mit 10 Bit oder 12 Bit Wortbreite eingesetzt. Entsprechende Blöcke stehen für die Ankopplung des Feldbussystems an die analoge Welt auch in der Feldbus-Toolbox zur Verfügung. Für ereignisgesteuerte Simulationen wurde ein CAN-Interrupt-Controller bereitgestellt. Zur Visualisierung der Signale auf den CAN-Bus steht ein Bus-Monitor-Block zur Verfügung. Mit diesen Blöcken ist es im Prinzip möglich, das Feldbussystem zu simulieren. Im Allgemeinen wird man jedoch nur das Simulationsmodell für einen Ausschnitt des Gesamtsystems nachbilden können. Stochastische Datenquellen simulieren RestsystemUm die Auswirkungen des Restsystems auf die Datenübertragung abschätzen zu können, wurden Datenquellen mit vorgegebenen stochastischen Eigenschaften entwickelt. Damit können Nachrichtenobjekte mit einer vorgegebenen Priorität und einer vorgegebenen Wiederholrate erzeugt werden. Die Wiederholung der Nachrichten kann entweder zyklisch, gleich verteilt, exponential verteilt oder Poisson verteilt erfolgen.In Bild 2 sind die implementierten Simulink-Blöcke dargestellt. Mit diesen Blöcken steht eine Simulink-Bibliothek zur Verfügung, die es erlaubt, ein ,,integriertes" Simulationsmodell zu entwickeln und die leistungsfähigen Algorithmen von Simulink für die Simulation zu nutzen, um dann die Ergebnisse mit dem Simulink-Visualisierungssystem darzustellen. Ein Beispiel für ein Simulationsmodell, das die Regelung eines Testsystems (des invertierten Pendels) nachbildet, ist in Bild 3 dargestellt. Man erkennt die Erweiterungen, die zur Simulation des Bussystems notwendig sind.Modifizierte Blöcke für andere BussystemeViele der beschriebenen Blöcke können durch Modifikation auch für die anderen beiden Bussysteme, die mit der Feldbus-Toolbox simuliert werden können, genutzt werden. Beim Profibus muss das hybride Verfahren für den Buszugriff, das aus einem Master-Master-Kommunikationsverfahren und aus einem Master-Slave-Verfahren besteht, nachgebildet werden. Die für die Simulation wichtigen Parameter der Slave-Knoten sind in den Gerätestammdateien gespeichert. Diese vom Hersteller zu liefernden Daten können vom Nutzer mit einer Matlabfunktion interaktiv festgelegt werden und für den Simulinkblock, durch den der Profibus-DP-Master nachgebildet wird, bereitgestellt werden. Der Interbus-S-Simulationsblock bildet im Wesentlichen ein Schieberegister nach, durch das die Übertragungsdauer festgelegt wird. Die Anwendung in Simulink entspricht im wesentlichen derjenigen der beiden anderen Bussysteme. Die vorgestellte Toolbox mit den Simulationsblöcken für den Einsatz in Matlab/Simulink wurde im wesentlichen für die Analyse von Regelkreisen in Feldbussystemen entwickelt. Insbesondere kann hier der Einfluss der Busauslastung auf das Stabilitätsverhalten untersucht werden. Neben diesem Anwendungsbereich können jedoch in Verbindung mit anderen Toolboxen alle Einsatzfelder von Feldbussen simulationstechnisch untersucht werden.