Using 3D simulation models for verification of PLC-programs

Abstract

Modern automation systems are complicated structures. Designing the control of these systems has similarities with traditional software development. Successful control design is based on a high-quality design process and strict testing policy. This thesis deals with the use of formal methods in PLC program development. A reason for using the formal methods is the need for good quality PLC programs with fewer errors.

Advantages of simulation have a big role in the thesis. Simulation is a powerful tool for many different cases. In this thesis simulation is introduced as a discrete event model. Discrete event simulation has been widely used to describe production processes. In many cases simulation tools have shown their strength by solving production problems. A successful simulation project is co-operation of simulation experts and people who know the process of the company. The thesis describes the basic structure of a simulation project step by step.

Verification and validation (V&V) are discussed from the software development point of view. It is also described how the terms V&V are associated with PLC programs and simulation models. The connection between PLC-programs and 3D simulation modes is shown in practice. A practical case of the thesis is a system in which students can practice and test their PLC-programs with a virtual (simulated) model of a real system. The system was designed for Lahti University of Applied Sciences, Faculty of Technology.

Nykyaikaiset automaatiojärjestelmät ovat monimutkaisia kokonaisuuksia, joiden ohjaussuunnittelussa on samoja piirteitä kuin perinteisessä ohjelmistosuunnittelussa. Onnistuneen ohjaussuunnittelun perustana on laadukas tuotantoprosessi ja hyvin suunniteltu testauskäytäntö. Työssä tutustutaan formaalien menetelmien käyttöön PLC-ohjelmistojen kehityksessä. Formaalien menetelmien tavoitteena on tuottaa laadukkaampia ohjelmia, joissa virheiden määrä on karsittu minimiin.

Oma tärkeä roolinsa työssä on simuloinnin hyödyntämisellä. Simulointi on menetelmä, jolla on monia käyttötarkoituksia. Tässä työssä simulointi esitetään tapahtumapohjaisen mallin mukaisena työkaluna. Tapahtumapohjaista simulointia on totuttu käyttämään tuotannollisten prosessien kuvaamiseen. Simulointityökaluja on hyödynnetty järjestelmien kehittämisessä ja prosessien ongelmakohtien löytämiseen. Onnistunut simulointiprojekti on asiaan vihkiytyneiden ammattilaisten ja yrityksen prosessin tuntevien ihmisten yhteistoimintana syntynyt lopputulos. Simulointiprojekti on monivaiheinen tehtävä ja työssä käydään simulointiprojektin toteutus läpi vaihe vaiheelta.

Työssä käsitellään lyhyesti verifiointia ja validointia ohjelmistotuotannon näkökulmasta, mutta kuvataan myös kuinka kyseiset termit liittyvät PLC-ohjelmien ja simulointimallien testaukseen ja hyväksymiseen. Simuloinnin ja PLC-ohjelmoinnin yhteyttä käsitellään työn käytännön osiossa, jossa raportoidaan Lahden ammattikorkeakoulun Tekniikan alalle toteutetun 3D-simulointia hyödyntävän PLC-ohjelmoinnin testaus- ja kehitysympäristön kehitysvaiheita.