Simulationssystem BORIS

Anwendungsbereiche von BORIS

Das WinFACT-Kernmodul, das Blockorientierte Simulationssystem BORIS, ist aufgrund seiner Konzeption neben der prädestinierten Anwendung als Simulationswerkzeug auch in den Bereichen Messdatenerfassung und -verarbeitung, Steuerung und Regelung einsetzbar.

Im Gegensatz zu vielen herkömmlichen Simulationssystemen ermöglicht BORIS die direkte Einbindung von Fuzzy-Systemen in die Simulation und eignet sich damit insbesondere auch für Anwendungen im Bereich Fuzzy-Logik und Fuzzy-Control. Mit BORIS strukturierte Systeme können bei Bedarf mit Hilfe des AutoCode-Generators in C-Code überführt werden.

Über den Einsatz als reines Softwarewerkzeug hinaus bietet BORIS eine Vielzahl von Möglichkeiten zur Hardwareankopplung an. So lässt sich in Verbindung mit A/D-D/A-Wandlerkarten oder externen Hardwaremodulen eine direkte Prozessankopplung realisieren, die etwa eine unmittelbare Erprobung eines am PC entworfenen Reglers zulässt.

Konfigurierung der Systemstruktur

Zur Konfigurierung der Simulationsstruktur werden einfach systemspezifische Icons an beliebiger Stelle auf dem Bildschirm platziert und miteinander verbunden. Der integrierte Autorouter (abschaltbar) sorgt dabei automatisch für eine möglichst optimale Positionierung der Verbindungslinien. Alle Verbindungsleitungen zwischen den Systemblöcken können auf Wunsch mehrfarbig ausgeführt werden. Das virtuelle Arbeitsblatt ist scrollfähig und erlaubt so eine übersichtliche und extrem schnelle Strukturierung auch komplexer Systeme. Eine Übersichtsfunktion ermöglicht jederzeit einen Überblick über die Gesamtstruktur des Systems. Die Komplexität der Simulationsstruktur ist nur durch die Speicherkapazität des Rechners begrenzt.

Auf Basis einer Vielzahl von Editierfunktionen kann die Systemstruktur in komfortabler Weise Schritt für Schritt aufgebaut werden. Durch die hierarchische Gruppierung von Teilsystemen zu sogenannten Superblöcken können auch komplexe Systeme übersichtlich gestaltet werden (s. u.).

Simulationssteuerung

BORIS bietet dem Anwender vielfältige Möglichkeiten zur Simulationssteuerung. Einige Features in Stichworten:

  • Standard- und Endlossimulation
  • Einzelschrittmodus (manuell oder ablaufgesteuert)
  • Breakpoints
  • Echtzeitsimulation
  • Automatische Bereichsüberprüfung
  • Übernahme von Arbeitspunkten

Der Simulationsablauf kann in der Statuszeile dokumentiert werden. Besonders für Debugging-Zwecke hilfreich ist die Option, während der Simulation die aktuellen Ausgangswerte sämtlicher Blöcke in deren Kopf anzeigen zu lassen. Für die Simulation selbst stehen verschiedene numerische Integrationsverfahren zur Auswahl.

Der integrierte Batch-Betrieb bietet die Möglichkeit, komplette Simulationsserien „in einem Rutsch“ durchzuführen, um z. B. den Einfluss von Parametervariationen auf die Systemdynamik zu untersuchen (Video). Neben dem Zeitverhalten kann auch das Verhalten im Frequenzbereich (Bode-Diagramm bzw. Nyquist-Ortskurve) analysiert werden (Video).

Die BORIS-Systemblockbibliothek

BORIS stellt dem Anwender eine umfangreiche Bibliothek von Systemblöcken zur Verfügung, die in unterschiedliche Gruppen eingeteilt ist:

  • Signalquellen (Signalgeneratoren etc.)
  • Dynamische Blöcke erster und höherer Ordnung
  • Statische Blöcke (Kennlinien, Kennfelder etc.)
  • Stellglieder
  • Funktionsblöcke
  • Digitalbausteine
  • Aktionsblöcke
  • Blöcke zur Kommunikation mit anderen Anwendungen (z. B. EXCEL oder LabView)
  • Blöcke zur Simulationssteuerung
  • Signalsenken (z. B. virtuelle Instrumente, File-Output etc.)
  • Superblöcke
  • Benutzerdefinierte Blöcke (User-DLLs)

Nachfolgender Screenshot zeigt einen Auszug der BORIS-Systemblockbibliothek.

Die Parametrierung der Systemblöcke erfolgt über komfortable Eingabemasken. Die Parameter der meisten Systemblöcke können auch während der Simulation geändert werden.

Zur Visualisierung von Simulations- und Messergebnissen und zur interaktiven Steuerung des Programmablaufs bietet BORIS dem Anwender eine Vielzahl von virtuellen Instrumenten und sogenannten Aktionsblöcken an. Diese vermitteln ihm den Eindruck, nicht vor einem PC, sondern inmitten eines „echten“ Geräteparks zu sitzen – eine Wirkung, die besonders für den Einsatz im Rahmen der Ausbildung gar nicht hoch genug eingeschätzt werden kann. Auch die Prozessankopplung findet über entsprechende Systemblocktypen statt, die dem Anwender je nach konfigurierter Hardware automatisch zur Verfügung stehen.

Nachfolgende Screenshots zeigen einige virtuelle Instrumente und Aktionsblöcke.

Neben den Standard-Systemblöcken bietet BORIS eine Reihe spezieller Blocktypen an, die weitergehende Möglichkeiten insbesondere für fortgeschrittene Anwendungen der Steuer- und Regelungstechnik erschließt:

PID Design Center

System Identification Center

VBScript-Modul

Superblöcke und benutzerdefinierte Blöcke

Die BORIS-Systemblock-Bibliothek kann vom Anwender durch eigene Systemblöcke erweitert werden. Dabei ist zu unterscheiden zwischen sog. Superblöcken und benutzerdefinierten Blöcken, sog. User-DLLs.

Teilsysteme können zu Makros, sogenannten Superblöcken, zusammengefasst werden, die auch geschachtelt werden können. Somit lassen sich auf einfache und komfortable Weise wiederverwendbare Module schaffen, die dann in den unterschiedlichsten Simulationsaufgaben zum Einsatz kommen können.

Im Gegensatz dazu werden benutzerdefinierte Systemblöcke vom Anwender selbst in Form von Windows-DLLs erzeugt, die in praktisch jeder Windows-Entwicklungsumgebung (C, C++, Delphi, Visual Basic, …) generiert werden können. Auf diese Weise lassen sich nicht nur rein funktionale Blocktypen, sondern auch Blöcke mit umfangreichen Visualisierungsfunktionen bis hin zu kompletten Prozessvisualisierungen (siehe dazu z. B. unsere regelungstechnischen Streckenmodelle) realisieren (Video).

Optimierung von Systemparametern

Als ideale Ergänzung zu den Simulationsmöglichkeiten bietet sich das Optimierungsmodul an, das eine automatische numerische Optimierung von Systemkomponenten (z. B. PID-Reglern) anhand vom Anwender frei wählbarer Gütekriterien ermöglicht. Zur Optimierung werden dabei leistungsfähige Parameteroptimierungsverfahren auf der Basis von Evolutionsstrategien eingesetzt.

Integrierte Regelstrecken für die Ausbildung

Speziell für die Ausbildung bietet BORIS insgesamt fünf integrierte industrielle Regelstrecken an, die vom Anwender frei konfiguriert werden können und neben dem normalen Systemblock auch ein separates Visualisierungsfenster besitzen, welches während der Simulation alle relevanten Größen anzeigt und beispielsweise auch das Aufschalten von Störgrößen ermöglicht.

Beispiel: Integrierte Temperaturstrecke mit Visualisierungsfenster

Alle Streckentypen können auf Wunsch mit einer nichtlinearen Kennlinie versehen werden; auch die Ermittlung des Strecken-Frequenzgangs ist möglich. Folgende Strecken stehen zur zur Verfügung:

  • Drehfrequenzstrecke (Motor-Generator-Satz)
  • Temperaturstrecke (Raum mit Heizung)
  • Füllstandsstrecke (Tank)
  • Lichtstrecke (Raumbeleuchtung)
  • Positionierstrecke (Spindelantrieb)

Nachfolgende Bildschirmgrafiken vermitteln einen ersten Eindruck von den Leistungsmerkmalen der Regelstrecken.

Eine Vielzahl weiterer Streckenmodelle kann bei Bedarf – optional mit zugehörigen Praktika – separat erworben werden (siehe Regelungstechnische Praktika und Streckenmodelle).

Kommunikation mit anderen Anwendungen

BORIS bietet vielfältige Möglichkeiten zur Kommunikation mit anderen Anwendungen. So lassen sich z. B. über DDE (Dynamic Data Exchange) Daten in oder aus Anwendungen wie EXCEL oder LabView portieren.

Beispiel: BORIS schreibt Simulationsergebnisse direkt in EXCEL-Tabelle

Über TCP/IP- oder UDP-Blöcke lässt sich eine Kommunikation auch über Rechnergrenzen hinweg aufbauen. Auf diese Weise sind auch verteilte Simulationen oder ferngesteuerte Messungen realisierbar. Ein Datenaustausch mit nahezu allen Prozessleitsystemen ist über die separat erhältliche OPC-Toolbox möglich.

Videos

BORIS in 15 Minuten
WinFACT 2016 in 30 Minuten
Vorstellung des PID Design Centers, des System Identification Centers und des VBScript-Moduls als neue Add-Ons von BORIS
Arbeiten mit Superblöcken
Programmierung von User-DLL-Blöcken für BORIS
Ermittlung statischer Kennlinien mit BORIS
Generierung von ANSI-C-Code aus der blockorientierten Simulation BORIS
OPC UA Client-Blöcke für BORIS
Datenaustausch zwischen BORIS und LOGO! 0BA8 über Modbus
Datenaustausch zwischen BORIS und Arduino über Modbus
 Frequenzgangermittlung mit BORIS
 Nutzung des BORIS-Modbus-Treibers in Verbindung mit einer S7-1200
 Nutzung des BORIS-Modbus-Treibers in Verbindung mit CODESYS
 Datenaustausch zwischen BORIS und Simulink über UDP
 Nutzung des Batch-Betriebs von BORIS an zwei einfachen Beispielen
 Nutzung von I/O-Modulen unter BORIS am Beispiel des Velleman K8055-USB-Boards
 Einsatz des CAN-Bus-Treibers für BORIS in Verbindung mit dem PCAN-MicroMod Evaluation Kit von PEAK-System
 Temperaturmessung mit BORIS und dem 1-Wire-Temperatursensor Dallas DS1820
 TinkerForge Toolbox 2.0 für BORIS

Downloads

WinFACT 2016-Demo-Version, Stand 09.02.2017

Dokumentationen und Produktinformationen

WinFACT 2016-Produktübersicht

Weiterführende Links

Verfügbarkeit und Preise

Hardware-Treiber und Prozessschnittstellen

Flexible Animation Builder FAB

AutoCode-Generator für ANSI-C

BORIS Runtime-Modul