Real-Time Simulator

Der Real-Time Simulator ist das Berechnungsframework für digitale Zwillinge des Virtual Engineering Labs. Der Real-Time Simulator basiert auf einem echtzeitfähigen Linux, das sich für harte wie weiche Echtzeitanforderungen in der Automatisierungstechnik eignet.

Der Real-Time Simulator benötigt digitale Zwillinge (Simulationsmodelle), die als FMU nach dem Standard „FMI Co-Simulation (Stand Alone) 2.0“ für Linux 64bit erstellt sind. Zur Anbindung der digitalen Zwillinge an die reale Welt verfügt der Real-Time Simulator über einen EtherCAT-Master, der das im IEC-Standard 61158 beschriebene EtherCAT-Protokoll verwendet.

Der Real-Time Simulator läuft auf einer handelsüblichen PC-Hardware, die durch FLUIDON lediglich um eine EtherCAT-fähige Netzwerkkarte ergänzt wird.

Im Verlauf eines Engineering-Projektes beschafft FLUIDON die PC-Hardware für den Kunden, konfiguriert für diesen den Real-Time Simulator und erstellt den digitalen Zwilling. Im Anschluss an ein einführendes Training ist der Kunde in der Lage, das Virtual Engineering Lab nach Projektanschluss für selbstständige Entwicklungsarbeiten zu verwenden.

Anforderungen an die Echtzeitsimulation fluidtechnischer Systeme

Real-Time-Computing (RTC) beschreibt Hard- und Softwaresysteme, die einem "Echtzeit-Zwang" unterliegen, z. B. vom Ereignis bis zur Systemreaktion. Digitale Zwillinge für Echtzeitanforderungen müssen dieser Randbedingung gerecht werden und eine Reaktion innerhalb bestimmter Zeitvorgaben garantieren. Digitale Zwilling für fluidtechnische Systeme unterliegen hier allerdings einigen besonderen, domänen-spezifischen Anforderungen.

  • Bei physikalisch modellierten fluidtechnischen Systemen, bei denen z. B. auch die Induktivität der Rohrleitung berücksichtigt werden soll, liegen die Simulationsschrittweiten typischerweise im Bereich von 1e‑5 bis 1e‑6 s. Mit steigender Simulationsmodellgröße wird es immer schwieriger, alle zugehörigen Gleichung auch in Echtzeit zu lösen. Viele Out-of-the-Box-Simulationswerkzeuge, die nicht in der Lage sind, die Echtzeitfähigkeit ihrer Simulationsmodelle in jedem Fall zu garantieren, müssen an dieser Stelle die Modelldynamik vereinfachen, um der Echtzeitanforderung gerecht zu werden.
  • Wir nutzen unsere Erfahrungen als Engineering-Dienstleister und Anbieter von Simulationswerkzeugen, um Ihre kunden- bzw. problemspezifischen Lösungen hinsichtlich der Echtzeitfähigkeit des fluidtechnischen Simulationsmodells und dessen Synchronisation zu entwickeln.
  • Mit „split, cut and parallelize“ wird nicht nur eine Parallelisierung der beteiligten Domänen vorgenommen, sondern die Modelle werden solange in kleinere Teilsysteme untergliedert, bis die Rechenzeit des Gesamtmodells der Echtzeitanforderung entspricht. Die hierzu benötigte Erfahrung zur effizienten Modellaufteilung hat FLUIDON in mehr als 20 Jahren praktischer Anwendungen auf dem Gebiert der Co-Simulation fluidtechnischer System und durch Mitarbeit an zahlreichen Forschungsvorhaben gewonnen.

Arbeiten mit dem Real-Time Simulator

  • Der Real-Time Simulator ist dazu in der Lage mehrere digitale Zwillinge parallel zu betreuen. Ein I/O-Mapper übernimmt die Verknüpfung der digitalen Zwillinge.
  • Je nach benötigter Rechenleistung können die digitalen Zwillinge auf einem performanten Mehrkernrechner oder, falls dies die numerische Stabilität des Verbundes zulässt, auch verteilt auf mehrere Rechner, die an das EtherCAT-Netzes angeschlossen sind, berechnet werden.
  • In beiden Fällen synchronisiert der Real-Time Simulator die Berechnung des bzw. der digitalen Zwillinge mit der Echtzeituhr des Frameworks und tauscht gemäß der benutzerdefinierten Zuordnung Eingangs- und Ausgangssignale mit dem HiL-Setup des Virtual Engineering Labs aus.